nutzung von algenrestmasse zur erzeugung von biogas
TRANSCRIPT
Technische Universität München
Fakultät für Chemie
Werner-Siemens-Lehrstuhl für Synthetische Biotechnologie
NUTZUNG VON ALGENRESTMASSE ZUR
ERZEUGUNG VON BIOGAS
Timm Adamietz
Vollständiger Abdruck der von der Fakultät für Chemie der Technischen Universität München
zur Erlangung des akademischen Grades eines
Doktors der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.)
genehmigten Dissertation
Vorsitzender apl. Prof. Dr. Wolfgang Eisenreich
Prüfer der Dissertation 1. Prof. Dr. Thomas Brück
2. Prof. Dr. Tom Nilges
Die Dissertation wurde am 27.04.2020 bei der Technischen Universität München eingereicht
und durch die Fakultät für Chemie am 19.05.2020 angenommen.
Abstract
I
I. Abstract
In this current thesis, the biogas process design, yields and chemical composition using
biomass of the green microalgae Chlorella vulgaris and Scenedesmus obliquus as the sole
substrate were experimentally investigated. The biogas processes were examined in batch
and continuous modes, while the best performance processes in terms of techno-economic
parameters were determined.
In a batch setting fresh and dried biomass of the freshwater algae Chlorella vulgaris was
sequentially fermented to yield raw biogas. The Chlorella biogas production provided 537.9 lN
kg-1 VS and 443.6 lN kg-1VS for dried and fresh algae biomass respectively, while the corn
silage standard generated 650 lN kg-1 VS [1].
In a continuous fermentation setting, the Chlorella vulgaris biomass addition was continuously
increased. The fermentation process was stable, even though the efficiency of gas production
decreased with increasing organic load rate (OLR). At an OLR of 1 kg VS m-³ d-1 the specific
average daily gas production was 507 lN kg-1 VS, whereas at an OLR of 3 kg VS m-³ d-1 the
specific average daily gas production was only 340 lN kg-1 VS.
To evaluate the influence of the salt load on the biogas production, batch experiments with oil-
extracted biomass of the brakish water algae Scenedesmus obliquus were carried out. Up to
a salt content of 5 % (w NaCl/v) in the algae suspension no effect on the gas yield could be
determined, the gas yield was about 335 lN kg-1 VS. Only at a salinity of 10 % (w NaCl/v) in the
algae suspension the gas yield was reduced to merely 315 lN kg-1 VS. At a set salinity of 3 %
(w NaCl/v) on the total mixture, gas production stopped almost completely (30.7 lN kg-1 VS).
The methane content decreased with increasing salinity from 61.5 % (v/v) to 59.4 % (v/v) at
10 % (w NaCl/v) salinity. In the approach with 3 % (w NaCl/v) salt related to the total approach,
the methane content was only 21.6 % (v/v).
Likewise to consider the effects of an increasing salt content on the gas yield, the mono-
fermentation of Scenedesmus obliquus was tested in a continuous flow-through experiment.
The OLR was increased from initially 1 kg VS m-³ d-1 to finally 1.5 kg VS m-³ d-1, the salinity of
the algae suspension was increased in several steps from 5 % w/w to 20 % w/w. From a salinity
of 10 % w/w on, the gas yield decreased at the same OLR. An increase of the OLR resulted in
slightly more gas, but the specific gas production (related to the weighed algae mass)
decreased, i.e. the substrate was degraded less.
Zusammenfassung
II
II. Zusammenfassung
In der vorliegenden Arbeit wurden die Gas- und Methanerträge der Mikroalgen Chlorella
vulgaris und Scenedesmus obliquus im Rahmen von Satzprozessen und halb-kontinuierlichen
Versuchen im Vergleich experimentell untersucht.
In einem Satzprozess mit Chlorella vulgaris wurde die Süßwasseralge in getrockneter und
frischer Form vergoren. Dabei erzielte sie bezogen auf Normliter mit 537,9 lN/kg oTS
(getrocknete Algenmasse) bzw. 443,6 lN/kg oTS (frische Algenmasse) beachtliche
Methanausbeuten im Vergleich zu Mais (650 lN/kg oTS [1]).
In einem kontinuierlichen Durchflussversuch mit Chlorella vulgaris wurde die Zugabe von
Chlorella-Biomasse gleichmäßig gesteigert. Der Gärprozess verlief dabei stabil, auch wenn
sich mit steigender Raumbelastung eine abnehmende Gasproduktionseffizienz zeigte. So
betrug bei einer Raumbelastung von 1 kg oTS/(m³*d) die spezifische durchschnittliche tägliche
Gasproduktion 507 lN/kg oTS, während bei einer Raumbelastung von 3 kg oTS/(m³*d) die
spezifische durchschnittliche tägliche Gasproduktion lediglich 340 lN/kg oTS betrug.
Zur Evaluation des Einflusses der Salzfracht auf die Biogasproduktion wurden Satzprozesse
mit ölextrahierter Biomasse der Salzwasseralge Scenedesmus obliquus durchgeführt. Bis zu
einem Salzgehalt von 5 % (w NaCl/v) in der Algensuspension konnte kein Effekt auf den
Gasertrag festgestellt werden, der Gasertrag lag bei rund 335 lN/kg oTS. Erst ab einem
Salzgehalt von 10 % (w NaCl/v) der Algensuspension war der Gasertrag geringer, bei nur 315
lN/kg oTS. Bei einem eingestellten Salzgehalt von 3 % (w NaCl/v) auf den Gesamtansatz
stoppte die Gasproduktion fast vollständig (30,7 lN/kg oTS). Der Methangehalt sank mit
steigendem Salzgehalt von 61,5 % (v/v) auf 59,4 % (v/v) bei 10 % (w NaCl/v) Salzgehalt. Im
Ansatz mit 3 % w/w Salz bezogen auf den Gesamtansatz lag der Methangehalt nur noch bei
21,6 % (v/v).
Ebenso zur Betrachtung der Auswirkungen eines steigenden Salzgehaltes auf die
Gasausbeute wurde im Rahmen eines kontinuierlichen Durchflussversuches die
Monovergärung von Scenedesmus obliquus getestet. Die Raumbelastung wurde von
anfänglich 1 kg oTS/(m3*d) auf zuletzt 1,5 kg oTS/(m3*d) gesteigert, der Salzgehalt der
Algensuspension in mehreren Schritten von 5 % w/w auf 20 % w/w erhöht. Ab einem
Salzgehalt von 10 % (w NaCl/v) ging der Gasertrag bei gleichbleibender Raumbelastung
zurück. Eine Erhöhung der Raumbelastung brachte zwar etwas mehr Gas, die spezifische
Gasproduktion (bezogen auf die eingewogene Algenmasse) ging jedoch zurück, d.h. das
Substrat wurde insgesamt schlechter abgebaut.
Danksagung
III
III. Danksagung
An erster Stelle und besonders herzlich möchte ich mich bei Prof. Dr. Thomas Brück
bedanken. Ohne Dich, Thomas, hätte es dieses spannende Projekt AFK nicht gegeben. Ich
bedanke mich bei Dir außerordentlich dafür, dass Du darauf vertraut hast, dass wir als KMU
(conys GmbH) und ich in persona mit dieser daraus entstandenen Dissertation die Ziele des
AFK-Projektes mit ins Ziel bringen konnten.
Ich bedanke mich weiter sehr herzlich bei meinem Mitautor Wojciech Jurkowski, der mit seiner
Biogas-Expertise, aber auch mit seinem fundierten Grundlagenwissen entscheidend zum
Gelingen der Publikationen beigetragen hat.
Wiederum ein besonderes herzliches Dankeschön gilt meinem langjährigen Wegbegleiter und
Drittautor Dr. Jan Adolph, der das Projekt AFK von Anfang an begleitet hat und für die
entsprechende praxisnahe und wissenschaftliche Tiefe gesorgt hat.
Mein besonderer Dank gilt auch Dr. Daniel Garbe für ein hervorragendes Projektmanagement
im Projekt AFK und der damit verbunden organisatorischen und auch fachlichen
Unterstützung.
Ferner möchte ich mich herzlich bei Dr. Farah Qoura für die administrative Unterstützung
bedanken.
Außer der Reihe möchte ich hier meinem „Mentor im Stillen“ Prof. Dr. Arnulf Melzer danken.
Ohne Dich, lieber Arnulf, hätte ich wohl nicht den Ehrgeiz entwickelt, diese Dissertation zu
beenden (im Übrigen hattest schon mal in den 1990ern entscheidend beigetragen, dass ich
mein Vordiplom an der TUM ins Ziel gebracht habe!)
Ein weiteres herzliches Dankeschön gebührt an dieser Stelle Dr. Jan Lorenzen. Jan: besten
Dank für die Unterstützung im Umstrukturieren, Redigieren und Formatieren bei dieser Arbeit!
Des Weiteren bedanke ich mich herzlich bei meinem Geschäftspartner Peter Braun, dass wir
diesen gemeinsamen Weg als KMU gehen konnten, sowie, dass Du mir - trotz unserem
operativen Geschäft - die Zeit gegeben hast, diese Arbeit ins Ziel zu bringen.
Der größte und allerherzlichste Dank geht aber an meine Familie! Ungefragt haben meine
Eltern und meine Schwester hinreichend beigestanden und fleißig redigiert. Aber
herausragend beigetragen hat meine liebe Frau Ljuba mit unseren drei Kindern Xenia, Felix
und Maxim. Danke, dass Ihr alle dieses nunmehr 7-jährige Projekt „Doktorarbeit“ neben
unserem operativen Alltag mitgetragen habt!
Inhaltsverzeichnis
IV
IV. Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung .................................................................................................................... 1
1.1. Einführung und Motivation ....................................................................................... 1
1.2. Projekt „AlgenFlugKraft“ (AFK) ................................................................................ 3
1.3. Prozessvorteile und Systematik der Algen .............................................................. 7
1.4. Im AFK-Projekt eingesetzte Grünalgen ................................................................... 9
1.5. CO2-Fixierung durch Algen .....................................................................................10
1.6. Algenbiotechnologie als Werkzeug zur Entwicklung neuer Biogasprozesse ...........11
1.7. Grundlagen der Biogastechnologie ........................................................................12
1.8. Grundlagen der Biogaserzeugung ..........................................................................14
1.9. Industrielle Verwertung von Biogas in Biogasanlagen ............................................17
2. Methoden ...................................................................................................................19
2.1. Versuchsaufbau Satzprozess / kontinuierliche Fermentation ..................................19
2.2. Substrat: Chlorella vulgaris .....................................................................................20
2.3. Substrat Scenedesmus obliquus ............................................................................20
2.4. Satzprozess Versuche Chlorella vulgaris, Scenedesmus obliquus .........................21
2.5. Kontinuierliche Fermentation Chlorella vulgaris ......................................................22
2.6. Kontinuierliche Fermentation Scenedesmus obliquus ............................................23
3. Publikationen .............................................................................................................24
3.1. Zusammenfassung der anhängenden Publikationen ..............................................24
3.2. Original Publikationen ............................................................................................26
4. Zusammenfassung, Diskussion und Ausblick ............................................................44
4.1. Zusammenfassung der Ergebnisse ........................................................................44
4.2. Diskussion ..............................................................................................................45
4.3. Ausblick ..................................................................................................................47
5. Abdruckgenehmigung ................................................................................................52
6. Abbildungs- und Tabellenverzeichnis .........................................................................53
7. Referenzen ................................................................................................................54
Abkürzungsverzeichnis
VI
V. Abkürzungsverzeichnis
AFK Algen-Flug-Kraft
BHKW Blockheizkraftwerk
C elementarer Kohlenstoff
°C Grad Celsius
CH4 Methan
CNG compressed natural gas
CO2 Kohlendioxid
d Tage (englisch: day)
EEG Erneuerbare-Energien-Gesetz
FM Frischmasse (deutsch), fresh mass (englisch)
FOS Flüchtige organische Säuren (englisch: VOA)
g Gramm
H2 Wasserstoff
ha Hektar
H2S Schwefelwasserstoff
ICP-MS inductively-coupled-plasma mass-spectronomy
KWK Kraft-Wärme-Kopplung
kg Kilogramm
l Liter
lN Normliter
KWK Kraft-Wärme-Kopplung
LNG liquified natural gas
Abkürzungsverzeichnis
VII
m³ Kubikmeter
max. maximal
mg Milligramm
min. minimal
MWel. Mega Watt (elektrisch)
MT Megatonnen
N Stickstoff
NaWaRo Nachwachsende Rohstoffe
NH3 Ammoniak
NH4+ Ammoniumion
Ø Durchmesser
oTS Organische Trockensubstanz
pH Wasserstoffionenkonzentration
t Zeit
T Temperatur
TAC Gesamter anorganischer Kohlenstoff (englisch: TIC)
TIC total inorganic carbon (deutsch: TAC)
TS Trockensubstanz
VOA volatile organic acid (deutsch: FOS)
VS (engl.) volatile solids (deutsch: oTS)
v/v Volumenprozent
w/v Massenkonzentration
w/w Gewichtsprozent
z.B. zum Beispiel
Einleitung
1
1. Einleitung
1.1. Einführung und Motivation
Die hier vorgelegte These entstand innerhalb des vom bayerischen Staat geförderten
Drittmittelprojektes „AlgenFlugKraft“ (AFK) [2] (siehe Fig. 1). Die Motivation des Projektes AFK
beruht auf der Notwendigkeit, an der wohl größten Herausforderung der Menschheit im 21.
Jahrhundert, der Reduktion der CO2-Emmission zur Abwendung eines menschengemachten
Klimawandels mitzuwirken. Hierzu wird die Erzeugung regenerativer Kraftstoffe für die
Flugindustrie sowie aus den dadurch anfallenden Reststoffen die Gewinnung von
regenerativen Energien durch die Erzeugung von Biogas betrachtet. Mit dem Pariser
Klimaabkommen vom 12. Dezember 2015 haben sich 197 Staaten auf eine Beschränkung der
Erderwärmung, im Vergleich zum vorindustriellen Niveau, auf unter zwei Grad Celsius und
möglichst unter 1,5 Grad Celsius [3, 4] verpflichtet. Um dieses Ziel zu erreichen, dürfen in der
zweiten Hälfte dieses Jahrhunderts nicht mehr klimaschädliche Gase ausgestoßen werden,
als der Atmosphäre durch sogenannte Senken, also etwa Wälder, entzogen werden [5]. Diese
Treibhausgas-Neutralität lässt sich nur durch eine wesentliche Reduktion des Verbrauches
fossiler Energieträger und durch einen signifikanten Zuwachs an regenerativen Energien
erzielen. Zu den regenerativen Energien zählen heute im industriellen Maßstab die Sonnen-,
Wind-, Wasser- und Bioenergie. Um die oben genannten Ziele zu erreichen, müssen
dementsprechend Kraftwerke, die auf Basis fossiler Energieträger betrieben werden, durch
regenerative Alternativen ersetzt werden. Allerdings stellt dieser Wandel auch eine
Herausforderung in der Stromverfügbarkeit dar. Bislang konnten Kraftwerke mit Kernspaltung
und fossilen Brennstoffen, wie Braun- oder Steinkohle, eine kontinuierliche Grundlast in der
Stromeinspeisung gewährleisten, während Erdgas-Kraftwerke auch zum Teil Spitzenlast-
Bedarf abdecken konnten. Diesen Komfort bietet eine reine Versorgung mit Sonnen- und
Windkraftanlagen nicht, da deren Stromerzeugung auf entsprechend günstige
Wetterbedingungen angewiesen ist. Der „worst case“ für die Netzbetreiber ist die sogenannte
„Dunkelflaute“, d.h., dass an einigen wenigen Tagen im Jahr weder die Sonne hinreichend
scheint, noch ausreichend viel Wind weht. Hier gibt es verschiedene Ansätze, diese Zeiten mit
alternativen Stromerzeugungen zu überbrücken (überstaatlicher Netzausbau,
Pumpspeicherkraftwerke, Laufwasserkraftwerke, Netzersatzanlagen, Batteriespeicher, etc.
[6]). Einen entscheidenden Beitrag zur grund- und spitzenlastfähigen Stromgewinnung kann
die Bioenergie, insbesondere die Biogas-Produktion leisten.
Die Energiewende muss nicht nur im Strommarkt vollzogen werden. So stellt der Anteil an
regenerativen Energien im deutschen Strom-Mix Stand März 2020 zwar beachtliche 42,1 %
dar, aber er beträgt in den Bereichen Wärme lediglich 14,5 % und vor allem im Verkehr sogar
Einleitung
2
nur 5,6 % [7]. Eine besondere Herausforderung im Bereich Verkehr ist dabei dem Luftverkehr
der Zukunft gezollt. Da der Flugverkehr stetig zunimmt und - im Gegensatz zur
Straßenmobilität - Brennstoffzellen- oder Batterie-Technologien besonders für
Langstreckenflüge in naher Zukunft nicht abbildbar sind, wurde 2011 das Projekt AFK [2] ins
Leben gerufen. Das AFK-Projekt umfasst erstmalig eine abfallfreie Bioraffinerie-
Technologieplattform zur holistischen Umsetzung von hochgradig ölhaltiger Algenbiomasse in
flüssige Flugkraftstoffe (Biokerosin), Biogas und CO2 adsorbierende Baustoffe. Dabei wurden
Technologien zur direkten Umwandlung von Mikroalgen basierten Lipiden in flüssige, „drop-
in“ Flugkraftstoffe, bei gleichzeitiger Verwertung der entölten Algenrestbiomasse in
Biogasanlagen untersucht. Im AFK-Projekt wird das aus Algenrestbiomasse gewonnene
Biogas direkt in der thermokatalytischen Umwandlung des Algenöls genutzt, um Alkan basierte
Flugkraftstoffe zu generieren, die von Ihren physikochemischen Eigenschaften äquivalent zu
bestehenden petrochemischen Kerosinprodukten sind [8]. Diese prozessintegrierte stoffliche
Nutzung von Algenöl und Biogas ist eine der massen- und ökoeffizientesten Nutzungsrouten
dieser erneuerbaren Eduktströme, hin zu einer ökologisch und ökonomisch sinnvollen
Biokerosin Produktion. Über die Nutzung von Algenrestbiomasse basiertem Biogas zur
Darstellung von erneuerbaren Flugkraftstoffen hinaus, hat die Etablierung von alternativen
Biomassesubstraten in der Diversifizierung und im Ausbau einer in Deutschland etablierten
Biogasinfrastruktur eine essentielle Rolle [9]. In diesem Kontext zeigen eingehende Studien
klar, dass die aktuelle Biogaserzeugung aus landwirtschaftlichen Rohstoffen wie Mais nicht
nur mit der Nahrungsmittelproduktion konkurriert, sondern sowohl energetisch als auch
ökonomisch negative Akzente setzt [10, 11]. Die Etablierung von Abfall- und alternativen
Biomasse-Rohstoffströmen, die nicht mit der Nahrungsmittelproduktion konkurrieren und
keinen intensiven Dünger- und Pflanzenschutzeintrag bedürfen, stehen daher aktuell im Fokus
einer Biogasproduktion der nächsten Generation [12]. Da Mikroalgen durch Ihre effiziente
Photosynthese zwischen 10 bis 100-fach [2, 13, 14] schneller wachsen als terrestrische
vaskuläre Pflanzen und auf Brachflächen kultiviert werden können, konkurriert die
Algenbiomasseproduktion in keiner Weise mit landwirtschaftlichen Aktivitäten. Darüber hinaus
bedarf die Algenkultivierung keines intensiven Düngereintrages und ist frei von
Pflanzenschutzmaßnahmen, was sich positiv auf die Energie- und Ökobilanz der
Algenkultvierung auswirkt. Algenbiomasse, insbesondere nach einer Extraktion der
intrazellulären Wertstoffe, ist daher ein sehr interessantes Substrat für die Biogasproduktion.
Generell zeichnet sich ab, dass der Biogasproduktion eine Schlüsselrolle für die Sicherung der
erneuerbaren Energieversorgung als auch für die Bereitstellung von erneuerbaren
Grundchemikalien in Deutschland durch Ihre Substrat- und Skalenflexibilisierung zukommt.
Unter den erneuerbaren Energien zeigt Biogas das größte Potential. Biogas kann sowohl über
Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) Elektrizität und Wärme erzeugen, als auch, nach einer
Einleitung
3
Aufbereitung, im Erdgasnetz gespeichert werden. Das gespeicherte Gas kann dann, ebenfalls
mittels KWK, bedarfsgerecht zur Erzeugung von Strom und Wärme abgerufen werden.
Alternativ kann das aufgereinigte Biomethan als Kraftstoff zur Substituierung von Erdgas
verwendet werden. Als einer der vielversprechendsten Ansätze für die Kopplung von
fluktuierender und grundlastfähiger Energieerzeugung wird zudem die sogenannte „Windgas“-
Erzeugung gesehen [15]. Überschüssige elektrische Energie aus Photovoltaik und
Windkraftanlagen wird dabei über Elektrolyse Verfahren in Wasserstoff überführt. Dieser wird
gemeinsam mit CO2 (rückgewonnen z.B. aus der Biomethanaufbereitung) zu Methan (CH4)
synthetisiert, das wiederum einfach über bestehende Infrastruktur speicherbar und
transportabel ist [16, 17]. So sind die in Deutschland installierten Biogasanlagen bereits heute
eine wesentliche Stütze des Stromnetzes [18]. Durch die gezielte Förderung im Rahmen des
Erneuerbaren-Energien-Gesetzes (EEG) seit dem Jahr 2000 wurde die Anzahl der
bestehenden Biogasanlagen in Deutschland von 1.050, mit einer Leistung von wenigen MWel.,
auf 9.200 Anlagen, mit einer installierten Leistung von insgesamt 4.200 MWel., im Jahr 2012
erhöht. [19]. Im gleichen Zeitraum stieg die Anbaufläche für Energiepflanzen für
Biogasanlagen auf 1.350.000 ha in 2018, wobei der Anteil an Mais ca. 2/3 betrug [20]. Diese
enorme Zunahme der Maisanbauflächen („Vermaisung der Landschaft“) für die
Biogasproduktion wird kritisch betrachtet, da zum einen diese Nutzung in Konkurrenz zur
Nutzung des Maises als Futtermittel steht und zum anderen große Maismonokulturen einen
Rückgang der biologischen Diversität nach sich ziehen [21]. Aus diesem Grund wurde im EEG
2017 ein „Maisdeckel“ in Form von maximal 50 % Nutzung (degressiv bis 2021 max. 44 %)
von Mais als Einsatzstoffe eingeführt. Somit gewinnen alternative Energiepflanzen wie die
Durchwachsene Silphie, Miscanthus, Gras oder verschiedene Wildpflanzen an Bedeutung. Im
EEG 2017 werden insbesondere Güllekleinanlagen und Bioabfallanlagen gefördert. Diese
Bioabfallanlagen sind im Speziellen von hohem Interesse, da es in Deutschland ein hohes
Aufkommen an Lebensmittelabfällen gibt [22], aus denen hochwertiges Biogas erzeugt werden
kann. Zusammengefasst kann man festhalten, dass Biogas entscheidend zur Erreichung der
Ziele des Pariser Abkommens, bezüglich Stromproduktion, beitragen kann. Dies gilt
insbesondere für die Biogaserzeugung aus Abfallstoffen. Auch aus Mikroalgen kann Biogas
hergestellt werden, umso sinnvoller, wenn dieses aus Abfallstoffen von Mikroalgen nach deren
Veredelung produziert wird.
1.2. Projekt „AlgenFlugKraft“ (AFK)
Durch die aktuelle Klimaproblematik, sowie der Verknappung fossiler Energieträger, ist es ein
vorrangiges Ziel der Luftfahrtindustrie, Technologien zu entwickeln, die ein nachhaltiges
Wachstum ermöglichen. Trotz eines steten Wachstums von 5 % pro Jahr fordern die EU
Legislative und die Industrie selbst ein Nachhaltigkeitsziel in der Luftfahrtindustrie bis 2050.
Einleitung
4
Hierzu dient das Jahr 2005 bzgl. Klimaneutralität als Neutralitäts-Referenzszenario .[23–25] In
diesen Strategiepapieren ist klar dargelegt, dass technologische Verbesserungen von
Antriebstechnologie und Hüllstruktur alleine diese Nachhaltigkeitsziele nicht erfüllen können.
Nur die Integration von CO2 neutralen bzw. negativen Kraftstofflösungen ermöglicht eine
mittelfristige CO2 Neutralität dieses Industriesektors bis 2050 und darüber hinaus. Wasserstoff-
und Elektroantriebe können aus technischen Gründen vorläufig keine Alternativen darstellen.
Daher kommt der Entwicklung von flüssigen, bio-basierten, „drop-in“ Flugkraftstoffen eine
große Bedeutung zu, da eine Konformität mit etablierten Antriebstechnologien besteht und
flüssige Biokraftstoffe die bereits feinabgestimmte Infrastruktur zur Lagerung und Verteilung
von Kerosin nutzen können [26]. Allerdings müssen diese Biokraftstoffe den hohen Standards
von derzeitigen Flugkraftstoffen genügen, um die aktuellen Antriebstechnologien weiter nutzen
zu können. Daher ist es unverzichtbar, dass biobasierte Rohstoffe, wie Triglyceride
(pflanzliche/ mikrobielle Öle/Fette) oder auch Bioalkohole durch fein abgestimmte
thermokatalytische Prozesse in Alkan basierte „drop-in“ Treibstoffe umgewandelt werden [27–
30]. Die hieraus resultierenden flüssigen Produkte enthalten oft einen sehr eng umrissenen
Anteil an C8-C16 verzweigten- und unverzweigten aliphatischen Alkanen als Hauptbestandteil.
Darüber hinaus werden durch thermokatalytische Zyklisierung auch 6-8 % (v/v) an Aromaten
generiert, die für die Verbrennungsleistung in der Turbine essentiell sind. Nur die exakte
Abmischung von aliphatischen und aromatischen Kraftstoffbestandteilen ermöglicht eine
Zertifizierung des erneuerbaren Flugkraftstoffes und garantiert damit die gleiche operative
Sicherheit und Verbrennungseigenschaften wie konventionelle auf Petroleum basierten
Flugkraftstoffen [31, 32]. Aufgrund des enormen Bedarfs der für den Flugverkehr in Mio. MT
bemessenen Menge an erneuerbaren Flugkraftstoffen müssen mögliche Produktionsprozesse
im industriellen Maßstab zeitnah realisiert werden. Daher bedarf es grundlegend neuer
Lösungsansätze mit einem Fokus auf Vermeidung von Emissionen durch neue Flugkraftstoffe,
um ein weiteres, nachhaltiges Wachstum der Flugindustrie zu gewährleisten. Die Grundidee
des AFK-Projektes hat diese komplexen Themen aufgegriffen und mit Kompetenzträgern aus
der Großindustrie (Airbus SE, Clariant Produkte (Deutschland) GmbH), KMU‘s (conys GmbH;
BBSI UG) und Akademie (Technische Universität München (TUM), Bauhaus-Luftfahrt e.V.)
innovative Lösungen zur industriellen Produktion von nachhaltigen Flugkraftstoffen entwickelt.
Einleitung
5
Abbildung 1: Algenproduktion für die Biokerosinherstellung im AFK Projekt.
Das Konzept umfasst einen geschlossenen Stoffkreislauf zur Herstellung, Ernte und
Umwandlung von Algenbiomasse in Flugkraftstoffe, Biogas (Methan, Wasserstoff) und CO2-
bindende Baustoffe. Da erneuerbare Flugkraftstoffe in Zukunft voraussichtlich dezentral in
verschiedenen Regionen der Welt produziert werden, war ein zentraler Baustein des Projektes
die Untersuchung, unter welchen Klimabedingungen Algenbiomasse produktiv wachsen kann
[33]. In diesem Zusammenhang sollten speziell Algenstämme identifiziert werden, die eine
konstante Biomasseproduktion über ein breites Temperaturspektrum aufweisen und deren
Kultivierung optimiert werden. Ziel dieser Arbeiten war es, erstmalig eine globale
Machbarkeitsstudie für Algenprozesse, in Abhängigkeit von verschiedenen Algenstämmen
und Klimazonen, sowie Kultivierungstechnologien, zu erstellen. Der innovative Ansatz,
wässrige Biomasse direkt in Flugkraftstoffe umzusetzen, sorgt zusätzlich für eine Minimierung
der Aufbereitungskosten.
In der industriellen Algenzucht ist die entkoppelte Biomasse- und Lipidproduktion unter
etablierten Wachstumsbedingungen eine große Herausforderung [34]. Daher werden zumeist
Algenstämme kultiviert, die sich durch eine gleichbleibend hohe Biomasseproduktion
auszeichnen, deren Lipidgehalte jedoch mit 20-30 % (w/w) für die industrielle
Kraftstoffproduktion nicht geeignet sind [35–37]. Eine ganzheitliche Verwertung der
resultierenden Biomasse durch thermokatalytische Verfahren ist hier nicht angebracht, da es
durch den hohen Proteingehalt der Algenbiomasse (bis zu 30 % (w/w)) mittelfristig zu einer
Katalysatordeaktivierung kommen würde [38, 39]. Allerdings kann eine gezielte mechanische
und chemo-enzymatische Auftrennung der Algenbiomasse in eine Lipid- und
Einleitung
6
Restbiomassefraktion mit zuckerreichen Zellwand- und photosynthetischen Pigmenten zu
einem ökonomisch und ökologisch effizienten Gesamtprozess ausgebaut werden. Während
die Lipidfraktion direkt über thermokatalytische Verfahren zu Alkan basierten Kraftstoffen
umgewandelt werden kann, muss für die Algenrestbiomasse ein alternativer, wertschöpfender
Verwertungsweg entwickelt werden. Die einfachste Lösung ist hier die Verwendung dieses
Reststoffes als Biogassubstrat, um erneuerbares Methan zu generieren. Ziel des AFK-
Projektes war eine wertsteigernde stoffliche Verwertung des Methanstromes zusammen mit
der Lipidfraktion in der thermokatalytischen Umsetzung hin zum Biokerosin, während in
konventionellen Bioraffinerieansätzen dieses Biogas lediglich zur prozessinternen
Energieerzeugung verbrannt wird.
Im Hinblick auf die Masseneffizienz des AFK-Projektes ist festzuhalten, dass, je nach
genutztem Algenstamm und dessen Kultivierungsbedingungen, die Algenbiomasse hohe
Konzentrationen an industriell relevanten Wertstoffen, wie Lipiden (20-70 % (w/w) Zellmasse)
enthält. Die nach der Lipidextraktion für die Biogaserzeugung zur Verfügung stehende
Algenrestbiomasse setzt sich hauptsächlich aus polymeren, teils hochgradig funktionalisierten
Hexosen- (z.B. Cellulose, Hemicellulose, Fucoidan, Alginat, Pektin) und Pentosepolymeren
(z.B. Xylan, Arabinoxylan), sowie Proteinen zusammen [13]. Im Gegensatz zu
lignocellulosehaltigen Reststoffen, wie Getreidestroh, bei dem die Zuckerpolymere meist in
hochkristalliner Form vorliegen, sind die Zuckerpolymere in der Algenzellwand meist amorpher
Natur. Daher bedarf es weder einer energieintensiven, hydrothermalen Vorbehandlung, noch
einer vorgeschalteten enzymatischen Hydrolyse um die algenbasierten Zuckerpolymere im
Biogas-Fermentationsprozess für die vorliegenden Mikroorganismen verwertbar zu machen.
Im Gegensatz zu lignocellulosehaltigen Rohstoffen enthält Algenbiomasse auch kein Lignin,
was im Biogasprozess weder aufgeschlossen noch metabolisch in Biogas-Bestandteile
umgesetzt werden kann. Das Fehlen von Lignin, aber auch die Vorlage von amorphen
Zuckerpolymeren in der Algenbiomasse, lässt daher eine sehr hohe Konversionseffizienz
dieses Substrates in konventionellen Biogasprozessen erwarten. Dies sollte sich durch eine
hohe Biogasausbeute und einer reduzierten Masse an verbleibenden festen Gärresten am
Ende des Prozesses manifestieren. Sowohl die erhöhte Biogasausbeute als auch der
reduzierte Gärrest können als ökonomische und ökologische Vorteile der algenbasierten
Biogasproduktion angesehen werden. Da technologische Einfachheit, Prozessstabilität und
niedrige Investitionskosten für gewerbliche Betreiber von größter Bedeutung sind, ist die
direkte Biogaserzeugung aus der Algenrestbiomasse ein unkomplizierter Weg für die zur
stofflichen und / oder energetischen Verwertung dieser Restbiomasse durch Einsatz von
etablierter Biogas Technologie [40, 41].
Einleitung
7
1.3. Prozessvorteile und Systematik der Algen
Mikroalgen, die als phototrophe pro- (Cyanobakterien oder grünblaue Algen) und
eukaryotische Mikroorganismen umfasst werden, wandeln Sonnenlicht, das Klimagas CO2
und anorganische Nährstoffe (z.B. Stickstoff, Phosphor und Eisen und andere
Spurenelemente) in werthaltige Biomasse um [42, 43]. Algenbasierte Wertstoffe finden
potentiell sowohl in der Chemie-, Kosmetik-, Pharma-, und Nahrungsmittelindustrie als auch
in hochvolumigen Anwendungen zur Bioenergieproduktion Einsatz. Kommerziell kommen
aktuell aber nur etwa 10 Stämme für die Produktion von hochpreisigen Produkten für die
Lebensmittel-, Kosmetik- und Pharmaindustrie zum Einsatz [44]. Der industrielle Einsatz von
Algen zur nachhaltigen Produktion von großvolumigen aber niederpreisigen Gütern, wie
Biokraftstoffen, erfordert eine konsequente technische und ökonomische Optimierung der
Biomassegenerierung, Extraktion und Konversion [45]. Dieser Ansatz war auch ein zentraler
Genegenstand des AFK-Projektes. Es ist jedoch festzuhalten, dass die Photosynthese-
Effizienz von Mikroalgen etwa 2-3 mal so hoch ist wie bei terrestrischen Pflanzen, was sich in
einer bis zu 10 fach- höheren Biomasseertrag manifestiert [13, 46]. Da das Algen-
Biomasseprodukt direkt mit der CO2 Fixierung korreliert, stellen phototrophe Mikroalgen eines
der effizienten biotechnologischen Werkzeuge für die langfristige Bindung und werthaltige
Konversion des Klimagases CO2 dar. Zusätzlich können Algen auf Brachflächen und mit
Abwasser-, Brack- oder Meerwasser kultiviert werden. Es besteht damit keine Rohstoff-,
Landflächen- oder Produktionskonkurrenz zur Agrarindustrie in Bezug auf die
Nahrungsmittelproduktion. Mikroalgen können sogar zur Aufbereitung von kommunalen und
landwirtschaftlichen Abwässern beitragen, was die Recyclingfähigkeit der immer knapper
werdenden Süßwasser Ressourcen verbessert [47, 48]. In Bezug auf diese umfassenden
Nachhaltigkeitsaspekte werden Mikroalgen daher oft als Biomasse der dritten Generation
bezeichnet [49, 50].
Während wie beschrieben aktuell nur etwa 10 Algenspezies Eingang in kommerzielle
Prozesse gefunden haben, gibt es eine große Vielzahl von Algenspezies, die bisher nur wenig
oder überhaupt nicht auf Ihre industrielle Nutzbarkeit überprüft wurden [44, 51]. Auch dieser
Aspekt war ein Forschungsthema in dem hier beschriebenen AFK-Projekt. Um diesen
Forschungsschwerpunkt im Kontext der jeweiligen Produktbildung auch näher zu beleuchten,
wird hier schlaglichtartig die doch recht komplexe biologische Systematik von Mikroalgen
ausgeführt.
Die Anzahl der Gattungen der Algen wird auf etwa 30.000 – 1 Mio. Arten geschätzt [52] . Die
pflanzliche, aquatische Biomasse teilt sich auf in Makro- und Mikroalgen sowie Seegräser. Die
Gruppe der Mikroalgen unterteilt sich in Grünalgen (Chlorophytha), Braunalgen (Phaeophyta)
und Rotalgen (Rhodophyta).
Einleitung
8
Im Gegensatz zu Makroalgen zeichnen sich Mikroalgen durch eine geringere
Organisationsstruktur aus. Sie kommen sowohl schwimmend als auch festsitzend vor. Daher
können sie z.B. marin in Küstengewässern und im offenen Meer als Phytoplankton siedeln,
wo sie signifikant zur Primärproduktion von Biomasse beitragen.
Mikroalgen sind in der Evolution sehr früh entstanden und haben sich sehr schnell diversifiziert.
Laut Kaltschmitt sind Grünalgen z.B. mit den Kieselalgen weniger miteinander verwandt als
der Mensch mit einem Schwamm [53]. Die Stoffwechselwege und ihre Regulation
unterscheiden sich bei den verschiedenen Algenklassen deutlich voneinander. Aufgrund der
hohen Artenvielfalt gibt es intensive Bestrebungen, Mikroalgen besser zu untersuchen und
auch wirtschaftlich zu nutzen.
Die wichtigsten Algengattungen und die von Ihnen gebildeten Produkte werden hier kurz
dargestellt:
Prokaryotische Algen:
Die industriell wichtigsten Vertreter der Cyanobakterien sind die Gattungen Spirulina,
Synechocystis und Synechococcus. Da Cyanobakterien als Prokaryoten einfach genetisch zu
manipulieren sind, werden sie insbesondere für die zukünftige Entwicklung von biogenen
Kraftstoffen, wie der Stärke basierte Bioethanol Produktion, in Betracht gezogen [54, 55].
Eukaryotische Algen:
Die Biotechnologie fokussiert sich hier auf drei Gruppen, obwohl in der Evolution noch viele
andere Mikroalgenklassen entstanden sind.
Diatomeen sind biotechnologisch sehr interessant, da sie in großem Umfang Lipide speichern
und auch in Brack- oder Salzwasser kultiviert werden können. Ferner bauen Diatomeen
Kieselschalen auf, deren Verwendung in der Nanotechnologie intensiv erforscht wird.
Diatomeen basierte Prozesse zielen ab auf die Darstellung von Nahrungsergänzungsmitteln,
die reich an langkettigen ungesättigten Fettsäuren (Omega- 3 und 6 Fettsäuren) sind. [56].
Ähnlich wie die Diatomeen lassen sich die Eustigmatophyceen gut in Brack- und Salzwasser
kultivieren und bilden in großer Menge Lipide, die zur Herstellung alternativer Kraftstoffe als
Grundstoff dienen können.
Grünalgen mit Ihren Chlorophyll–Photosynthese-Pigmenten und Chloroplasten ähneln
höheren Pflanzen am stärksten. Die wichtigsten Gattungen der Grünalgen sind die im
Forschungsprojekt verwendeten Vertreter Chlorella und Scenedesmus, aber auch die
Gattungen Chlamydomonas, Haematococcus, Dunaliella, Ostreococcus und Botryococcus.
Einleitung
9
Chlamydomonas wird hauptsächlich zur Herstellung von Biomasse für die energetische
Nutzung kultiviert aber auch zur Gewinnung von Wasserstoff beforscht [57].
Haematococcus wird aufgrund ihrer roten Färbung für die Herstellung von Astaxanthin
produziert. Dieses wird z.B. in der Fischkultur eingesetzt um das Fleisch von Salmoniden
rötlich zu färben [58].
Dunaliella wird zur Erzeugung von Carotinoiden (ß-Karotin) und Proteinen kultiviert.
Ostreococcus und Botryococcus können langkettige Terpen basierte Lipide, sogenannte
Botyrococeen, sekretieren, was eine Aufarbeitung und Umsetzung zu Biokraftstoffen
erleichtert [59].
1.4. Im AFK-Projekt eingesetzte Grünalgen
Eine der am besten untersuchten Süßwasseralgenstämme ist die Grünalge Chlorella vulgaris,
die bereits als proteinreiches Nahrungsergänzungsmittel kommerziell Einsatz findet [60]. Die
Kultivierungs- und Ernteprozesse für diesen Algenstamm sind weitgehend optimiert und die
metabolischen Prozesse zur Optimierung der Biomasseinhaltsstoffe bereits aufgeklärt. Daher
bietet sich Chlorella vulgaris als Modellsystem für die Optimierung eines Algen basierten
Biogasprozesses an [61]. Die mit Chlorella vulgaris generierten Daten zur Biogas-
Prozessgestaltung werden durch weitere Testung mit der im AFK-Projekt isolierten
Brackwasser Grünalge Scenedesmus obliquus im Hinblick auf Biogas Produktivität und
Salzstress validiert und diversifiziert [62, 63]. Scenedesmus obliquus ist eine ölbildende Alge,
die unter Stickstofflimitierung bis zu 30 % (w/w) der Biotrockenmasse als intrazelluläre
Trigylceride einlagert [64]. Sie ist damit besonders für die anvisierte Biokraftstoffproduktion im
AFK-Projekt geeignet. Weiterhin kann diese Alge mit Brack- oder Abwasser kultiviert werden,
was sich besonders positiv auf die Ökoeffizienz des Gesamtprozesses auswirkt, da keine
Ressourcenkonkurrenz mit der Nahrungsmittelproduktionskette besteht. Um eine maximale
Valorisierung der Scenedesmus obliquus Biomasse in dem hier untersuchten Biogasprozess
zu untersuchen, wird die Ganzbiomasse und die Restbiomasse nach Triglycerid (Algenöl)
Extraktion als Substrat getestet [65, 66]. Neben der Biogasausbeute in Bezug auf Ganzzell-
und extrahierter Restbiomasse wird auch der Einfluss des Salzgehaltes auf den
Biogasprozess bewertet. Da Scenedesmus obliquus im technischen Maßstab in salzhaltigem
„Model“-Brackwasser (2,3 %w NaCl/v) in einem kommerziellen Flachplattenphotobioreaktor
angezogen wurde, ist es erstrebenswert, dass die extrahierte und salzhaltige Biomasse ohne
weitere Waschschritte mit Süßwasser direkt im Biogasprozess genutzt werden kann [67]. Die
Notwendigkeit für weitere Waschschritte mit wertvollem Süßwasser würde die energetische,
ökonomische und ökologische Effizienz des Gesamtprozesses negativ beeinflussen. Daher ist
Einleitung
10
die Salztoleranz des untersuchten Biogasprozesses essentiell für eine ganzheitliche
Bewertung der Biogas-Nutzung im AFK-Projekt.
Um die Eignung der beiden Algenstämme für einen potentiellen Biogasprozess näher zu
betrachten, werden im Folgenden die Biomasse basierten Eigenschaften dieser Stämme
näher ausgeführt.
Chlorella vulgaris ist eine einzellige Mikroalgenspezies, deren Name sich vom griechischen
chloros = grün, gelbgrün und –ella = klein ableitet. Die Gattung Chlorella gehört zu den am
intensivsten erforschten Mikroalgen überhaupt. Sie wird bereits im industriellen Maßstab als
Nahrungsergänzungsmittel produziert und zeichnet sich durch eine hohe Biomasseproduktion
mit großen Anteilen an Proteinen, Mineralstoffen, sowie essentiellen Fettsäuren aus [68].
Chlorella vulgaris weist selbst in einfachen, offenen Teichsystemen im Freien unter
Verwendung von kommunalem Abwasser eine hohe Produktionsrate auf [69, 70]. Somit ist
Chlorella vulgaris nicht nur eine potenzielle Quelle für Bioenergie, sondern verringert
zusätzlich bei der Abwasserbehandlung durch die Aufnahme von Nährstoffen eine
Eutrophierung der Gewässer [71, 72]. Bei der Verwendung von Algenkulturen, anstelle der
konkurrierenden Anamox-Verfahren [73], wird Stickstoff in der Biomasse biochemisch fixiert
[74, 75].
Scenedesmus obliquus ist Bestandteil des Phytoplanktons in nährstoffreichen
Binnengewässern. Die Grünalge lagert unter Stickstoffmangel vermehrt Carotinoide in die
Zellwand ein und bildet intrazellulär Triglyceride, die in spezialisierten Lipidvesikeln
gespeichert werden [76, 77]. Dabei sind Lipidausbeuten von über 30 % (w/w) unter
kontrollierten Bedingungen keine Seltenheit [78]. Für dieses Forschungsprojekt wurde diese
Alge eingesetzt, da sie schnell wächst, einen hohen Lipidanteil erreicht und sich durch eine
hohe Toleranz gegenüber erhöhten Salzkonzentrationen auszeichnet.
1.5. CO2-Fixierung durch Algen
Als photoautotrophe Organismen bilden Algen die Basis der aquatischen Nahrungskette und
sind somit essentiell für ein intaktes, marines Ökosystem. Durch ihre photosynthetische
Aktivität tragen sie zu einem erheblichen Teil an der weltweiten Sauerstoffproduktion und der
gleichzeitigen CO2-Fixierung bei. So zeigen beispielsweise Auswertungen aus den 1980er
Jahren von Satellitenbildern der NASA, die auf der Detektion von Chlorophyll beruhen, dass
jährlich ca. 45 bis 50 Milliarden Tonnen Kohlenstoff aus atmosphärischem CO2 in
Phytoplankton-Biomasse gebunden werden. Abgestorbenes Phytoplankton, welches in die
Tiefsee absinkt, sorgt dafür, dass der Atmosphäre jährlich ca. 8 Mrd. t CO2 dauerhaft entzogen
wird. Ohne diese Kohlenstoffsenke läge die CO2-Konzentration in der Atmosphäre statt bei
365 ppm bei ca. 565 ppm [76]. Dank des Phytoplanktons bilden die Meere somit den weltweit
Einleitung
11
größten CO2 Speicher. Viele Geo-Engineering-Strategien zielen darauf ab, diese
Kohlenstoffsenke verstärkt zu nutzen. Eine dieser Strategien ist die Eisendüngung, da die
Produktion von Biomasse durch Zugabe des Spurenelements Eisen erheblich gesteigert
werden kann. Allerdings wäre ein solcher Ansatz auch mit großen Risiken verbunden, da eine
großflächige, intensive Düngung zu einer Eutrophierung führen könnte. Durch den hohen
Anteil der abgestorbenen Biomasse entstünde ein Sauerstoffmangel, der wiederum die
Produktion von Lachgas und Methan, also Treibhausgasen, begünstigen würde. Daher ist
diese Methode weiter zu erforschen und Stand heute im industriellen Maßstab verboten [77].
1.6. Algenbiotechnologie als Werkzeug zur Entwicklung neuer Biogasprozesse
Ein vielversprechender Ansatz zur Umwandlung des Treibhausgases CO2 in industrielle Wert-
und Kraftstoffe ist die photoautotrophe Algenkultivierung. Im Vergleich zu Landpflanzen
zeichnen sich photosynthetische Mikroalgen durch einen 10- bis 100-fach höheren
Biomasseertrag, bezogen auf die Anbaufläche, aus [2, 13, 14]. Dabei konkurrieren sie nicht
mit der Nahrungsmittelproduktion und können als aktive Senke des Treibhausgases CO2
fungieren. Darüber hinaus haben besondere ölbildende Algenstämme, wie sie auch im
Rahmen dieses AFK-Projektes untersucht wurden, eine bis zu 30-mal höhere Lipidausbeute
pro Hektar Landmasse im Vergleich zu Landpflanzen [79–81]. Da Algenbiomasse im
Gegensatz zu Landpflanzen kein Lignin enthält, wird erwartet, dass Ihre Anwendung in der
Biogasproduktion zu einer höheren Biomassekonversion und damit erhöhten Biogaserträgen
führt [82]. Durch die deutlich höheren Wachstumsraten von Mikroalgen werden in Deutschland
bereits Biomasseausbeuten von ca. 100 Tonnen Trockenmasse pro Hektar und Jahr in
geschlossenen Reaktorsystemen produziert [83]. Ferner ist die Produktion von Algenbiomasse
mit einer minimalen Landnutzung von 2 m² / GJ verbunden (im Vergleich zu 258 m² / GJ für
Rapsöl) [84]. Durch die Verwendung von geschlossenen Systemen wird eine gleichbleibende
Qualität der Biomasse bei einer kontinuierlichen Produktion gewährleistet [85]. Ebenso können
die Stoffströme, wie Nährstoffe und Wasser, im Kreislauf genutzt werden, so dass der Bedarf
an Dünger und Süßwasser geringer ist als bei konventionellen Energiepflanzen [86].
Mikroalgen können des Weiteren auf nicht landwirtschaftlich genutzten Flächen mit Ab-, Brack-
oder Meerwasser kultiviert werden [87]. Eine Kultivierung von Süßwasseralgenstämmen in
offenen Systemen ist aufgrund von Temperatur- und Bestrahlungsschwankungen, sowie der
Einführung terrestrischer Kontaminanten, wie Bakterien und Pilzen, oft nicht prozessstabil. Die
letztgenannten Kontaminationsprobleme können kontrolliert oder beseitigt werden, wenn
halophile Algenstämme zur Herstellung von Wertschöpfungsprodukten, wie Lipiden,
verwendet werden [88]. Darüber hinaus umgeht die Verwendung von halophilen Algen den
Bedarf an Süßwasserressourcen, was zu einer Reduzierung der Prozesskosten führt und den
Wettbewerb mit der Landwirtschaft verhindert. Interessanterweise werden nach der Extraktion
Einleitung
12
von Algenbiomasse mit überkritischem Kohlendioxid nur minimale Mengen an Salzen in das
Ölprodukt übertragen [65]. Daher verbleibt der größte Teil des Salzes in den extrahierten
Algenbiomasse-Rückständen, die hauptsächlich aus den Zellwänden und intrazellulären
Proteinen bestehen. Im Allgemeinen ist das Problem des Salzstresses während der
anaeroben Vergärung nicht nur für halophile Algen und deren Nebenprodukte relevant,
sondern erstreckt sich auch auf andere Biogassubstrate, wie Deponiesickerwasser, das hohe
Konzentrationen an Ammoniumchlorid und Natriumhydrogencarbonat enthält [89]. Ebenso
weisen Meeresfischzuchtschlamm [90], Küchenabfälle [91], Nebenprodukte der
Fleischverarbeitung [92] oder Milchabwässer [93] einen hohen Salzgehalt auf, der die Leistung
des Biogasprozesses beeinflusst. Frühere experimentelle Beweise zeigen, dass niedrige
Salzkonzentrationen die Methanogenese fördern [94], während ein erhöhter Salzgehalt
schließlich zu einer vollständigen Hemmung und sogar zu einer Verschiebung zur
Carboxylatproduktion führt [95]. Wie bei vielen hemmenden Wirkungen kann ihr Ausmaß durch
langsame Anpassung der in der Fermentation vorhandenen Mikroorganismen begrenzt
werden, wie bereits für die Zugabe von Natriumchlorid gezeigt wurde [96, 97].
Aus den oben genannten Gründen kann Algenrestbiomasse, im Vergleich zu Kraftstoffen aus
Erdöl (1. Generation) und terrestrischer Pflanzenbiomasse (2. Generation), auch als Rohstoff
der 3. Generation für zukünftige, biotechnologische Prozesse, wie Biogas, angesehen werden
[25].
1.7. Grundlagen der Biogastechnologie
Biogas, welches hauptsächlich aus Methan besteht, entsteht in der Natur bei vollständigem
Abbau von Biomasse in Abwesenheit von freiem Sauerstoff. Der zu Grunde liegende
Gärungsprozess kann in Mooren und Sümpfen, im Grundschlamm von Seen, im Pansen von
Wiederkäuern, im Dick- und Blinddarm von allen Pflanzenfressern, sowie Dickdarm von
Menschen und Tieren beobachtet werden [98]. Nur eine kleine, hochspezialisierte Gruppe von
Bakterien ist in der Lage, Methan durch Methanogenese zu erzeugen. Dabei sind die
Methanbildner das letzte Glied in der Kette der Mikroorganismen, die Biomasse vollständig
umsetzen. Die Fähigkeit zur Methanbildung ist evolutionär in dieser Gruppe stark konserviert
und existiert schon seit Millionen von Jahren [99].
Die Biogastechnologie blickt auf eine über 100-jährige Geschichte zurück. 1906 entstanden
im Ruhrgebiet Reinigungsanlagen für Abwasser, allerdings vorrangig zur Verringerung der
Abfälle als zur Erzeugung von Biogas. Ab den 1920er Jahren jedoch wurde das Biogas gezielt
aufgefangen und in das städtische Gasnetz eingespeist [100]. In den 1950ern war auch die
Verwendung als Motorentreibstoff verbreitet, jedoch ging die Bedeutung aufgrund niedriger
Erdölpreis rapide zurück. [101]. Eine Renaissance der industriellen Biogaserzeugung erfolgte
Einleitung
13
mit der Energiekrise in den 1970ern, welche aber durch bald fallende Erdölpreise erneut
gebremst wurde. Allerdings nahm nun die Anzahl an landwirtschaftlichen Biogasanlagen stetig
zu. Dabei lag das Augenmerk darauf, bei einer möglichst geringen Verweilzeit des
Gärsubstrates eine möglichst vollständige Vergärung der Biomasse zu erzielen, um hierdurch
eine möglichst hohe Gasausbeute zu erreichen [102].
Zur Erzeugung von Biogas eignet sich nahezu jede Art von leicht umsetzbaren, organischen
Substanzen. Bis zum Ende des letzten Jahrhunderts wurden überwiegend kostengünstige
Substrate, wie organische Abfälle aus der Lebensmittelherstellung und –verarbeitung,
kommunaler Grünabfall und Ausscheidungen von Nutztieren eingesetzt.
Mit dem Stromeinspeisungsgesetz vom 7. Dezember 1990 wurde es möglich, dass kleine,
dezentrale Stromerzeuger (neben Biogasanlagen auch Anlagen, welche Strom aus Sonne,
Wind und Wasser produzierten), ihren erzeugten Strom erstmalig in das öffentliche Netz
einspeisen konnten. Mit dem Inkrafttreten des darauf nachfolgenden Gesetzes, des
Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) vom 29. März 2000 [103], wurden diese
Stromerzeuger sogar vorrangig in der Einspeisung gegenüber bestehender Stromerzeuger
gestellt und darüber hinaus entsprechend ihrer Produktionskosten vergütet. Durch die
Novellen EEG 2004 und insbesondere EEG 2009 haben sich vor allem nachwachsende
Rohstoffe, im speziellen der Mais als Energiepflanze, durchgesetzt. Damit einher ging ein
rasanter Anstieg im Bau von Biogasanlagen, welche zunehmend öffentlich kritisiert wurden
(Stichworte wie „Übermaisung der Landschaft“ und „Teller-Tank-Diskussion“). Letztendlich
wurde diese Entwicklung seit dem EEG 2012 abrupt gestoppt, so dass nur noch wenige
Neuanlagen entstanden sind.
Die Biogasbranche besinnt sich seit der Rezession ab 2012 wieder auf ihren Ursprung und
verstärkt ihr Augenmerk in der Biogaserzeugung aus biogenen Reststoffen aus der
Tierhaltung, da insbesondere Güllekleinanlagen gefördert werden. Ein weiterer Trend zeichnet
sich ab, indem bestehende NaWaRo-Biogasanlagen in die Flexibilisierung übergehen. Dies
bedeutet, dass zwar die installierte Leistung durch Zubau von BHKWs erhöht wird, aber -
aufgrund der Möglichkeit der Gasspeicherung in den Fermenterhauben - die Verstromung des
Biogases bedarfsgerecht erfolgt. So werden z.B. die BHKWs zu Spitzenbedarfszeiten auf
Volllast gefahren, während bei Stromüberschüssen im Versorgungsnetz (witterungsbedingt
durch Photovoltaik oder Windkraft) die BHKWs in ihrer Leistung reduziert oder sogar
abgeschaltet werden, aber das weiter kontinuierlich produzierte Biogas für späteren
Strombedarf gespeichert wird.
Einleitung
14
1.8. Grundlagen der Biogaserzeugung
Gärprozess
Bei der mikrobiellen Umsetzung von Gärsubstraten, unter dem Entzug von Sauerstoff, werden
organische Substanzen in aufeinanderfolgenden, biochemischen Prozessen in ein brennbares
Gasgemisch und einen trockensubstanzhaltigen Gärrückstand (weitgehend bestehend aus
Lignozellulose) umgewandelt. Je nach eingesetztem Substrat schwankt der Methan-Gehalt
(CH4) zwischen 50 % und 70 % (v/v). Die zweite große Fraktion ist CO2, welches 30 bis 50 %
(v/v) ausmacht Im geringeren Anteil finden sich noch O2 (bei intakten Biogasanlagen ohne
Sauerstoffschlupf) mit maximal 1 % (v/v), sowie im ppm-Bereich H2S und H2.
Der Gärprozess ist durch vier aufeinanderfolgende biochemische Prozesse definiert:
Stufe 1 Hydrolyse: Hochmolekulare, organische Stoffe wie einfache, oligomere Kohlenhydrate,
Proteine und Fette (Triglyceride), sowie teilweise auch polymere Zucker wie Stärke, Pektin
und Cellulose, werden mittels bakteriell sekretierter Enzyme (hydrolytische Exoenzyme, wie
Amylasen, Pektinasen, Cellulasen, Hemicellulase, Proteasen und Lipasen) in
niedermolekulare, fermentierbare organische Verbindungen, wie Glycerin, freie Fettsäuren,
Monomere-Zucker (z.B. Glukose, Mannose, Galactose, Xylose, Galacturonsäure) und
Aminosäuren, gespalten. Im Gesamtprozess der Vergärung ist diese Stufe die zumeist
langsamste Reaktion der Biogaserzeugung und beeinflusst somit signifikant die Verweilzeit
des Substrates im Reaktor.
Stufe 2 Acidogenese: In diesem Prozessschritt wandeln die Bakterien die zuvor genannten
Zwischenprodukte in Carboxylsäuren (Buttersäure, Propionsäure, z.T. Essigsäure) und
Alkohole um. In dieser Versäuerungsstufe entstehen auch geringe Mengen an CO2 und H2.
Stufe 3 Acetogenese: In dieser Phase bauen die säurebildenden Mikroorganismen
Propionsäure und Buttersäure in größerem Maßstab zu Essigsäure sowie CO2 und H2 ab.
Stufe 4 Methanogenese: Im letzten Schritt wird von den methanbildenden Archaeen und
anaeroben, methanotrophen Bakterien Methangas gebildet. Dies geschieht entweder durch
die Spaltung von Essigsäure zu CH4 und CO2 oder durch die Verbindung von H2 mit CO2.
Einleitung
15
Methanobacteria: Substrat
Methanobacterium formicium
Methanobacterium thermoautotrophicum (65°C)
Methanobacterium thermoalcaliphilum (60°C)
Methanobacterium ruminantium
H2, Formiat
H2
H2
H2, Formiat
Methanomicrobia: Coccen und Stäbchen, Zellwände aus Protein,
Glycoprotein oder Heteropolysaccariden
Methanomicrobium mobile
Methanogenium limicola
Methanospirillium hungatei
Methanosarcina barkeri
H2, Formiat
H2, Formiat
H2, Formiat
H2, Methanol
Tabelle 1: Methanogene Bakterien und die von ihnen genutzten Substrate [104].
Die letzte Stufe der Umwandlung von Biomasse in Methan ist hochspezialisierten Arten, wie
den Archaeen vorbehalten, die sehr sauerstoffempfindlich sind. Die folgenden Tabellen zeigen
Arten von methanbildenden Bakterien, sowie die jeweiligen Substrate, die von Ihnen
umgesetzt werden.
H2 und CO2: 4 H2 + CO2 CH4 + 2 H2O
Formiat: 4 HCOOH CH4 + 3 CO2 + 2 H2O
Methanol: 4 CH3OH 3 CH4 + CO2 + 2 H2O
Methylamin: 4 CH3NH2Cl + 2 H2O 3 CH4 + CO2 + 4 NH4Cl
Trimethylamin: 4 (CH3)3NCl + 6 H2O 9 CH4 + 3 CO2 + 4 NH4Cl
Acetat: CH3COOH CH4 + CO2
Kohlenmonoxid: 4 CO + 2 H2O CH4 + 3 CO2
Tabelle 2: Methanogene Substrate und ihre Umsetzung [104].
Normalerweise finden die vier genannten Stufen in der Praxis gleichzeitig in einem
geschlossenen und gerührten Fermenter statt. Die Parameter für eine effektive
Biogaserzeugung sind die Verweilzeit der Substrate (die Verweilzeit sollte nicht weniger als 20
Tage betragen), eine adäquate Faulraumbelastung (zwischen 2 bis 5 kg oTS/(m3*d)) und
mesophile Bedingungen (Temperatur zwischen 35 und 48 Grad Celsius) [104].
Einleitung
16
Gaszusammensetzung und Gasreinigung
Biogas als Rohgas besteht durchschnittlich aus 50 % (v/v) – 70 % (v/v) CH4 und 30 % (v/v) -
45 % (v/v) CO2. Ferner lassen sich geringere Mengen an Wasser, Sauerstoff sowie im ppm-
Bereich H2 (Wasserstoff) und H2S (Schwefelwasserstoff) nachweisen.
In folgender Tabelle werden die physikalischen Eigenschaften von Biogas und seinen
Bestandteilen aufgeführt:
Eigenschaft
Bestandteile
Gemisch
ca. 60 % (v/v) CH4
40 % (v/v) CO2 CH4 CO2 H2 H2S
Vol. – Anteil % (v/v) 55 - 70 27 – 44 < 1 < 3 100
Heizwert MJ/Nm³ 35,8 - 10,8 22,8 21,5
Zündgrenze in Luft Vol % 5 – 15 - 4 – 80 4 – 45 6 – 12
Zündtemperatur °C 650 – 750 - 585 - 650 – 750
Kritischer Druck Bar 47 75 13 89 75 – 89
Dichte kg/m³ 0,72 1,98 0,09 1,54 1,20
Tabelle 3: Physikalische Eigenschaften von Biogas und seinen Bestandteilen [104].
Beim Einsatz von Biogas in Blockheizkraftwerken (BHKW) stellt der Schwefelwasserstoff (H2S)
die größte Problematik dar, da er auf Rohrleitungen und Motoren korrosiv wirkt und es somit
zum Verschleiß der eingesetzten Materialien kommen kann. Zur Vermeidung des Übertragens
von Schwefelrückständen, die mit dem Biogas in das Motorenöl gelangen und zu dessen
Aufsäuerung führen können, gibt es 3 Stufen der Entschwefelung [105].
Als erste Stufe sollte eine Zudosierung von Luftsauerstoff 2 % (v/v) – 5 % (v/v) der produzierten
Gasmenge direkt in den Fermenter erfolgen. Hiermit wird Schwefelwasserstoff in elementaren,
kristallinen Schwefel und Wasser oxidiert und getrennt. Darüber hinaus sollte im Rahmen
eines katalytischen Trockenverfahrens Eisenhydroxid Fe(OH)3 als Katalysator eingesetzt
werden. Dieser Vorgang kann folgendermaßen formalisiert und bilanziert werden:
2 Fe(OH)3 + 3 H2S Fe2S3 + 6 H2O + 62 KJ
Die Regeneration erfolgt an der Luft und läuft folgendermaßen ab:
Einleitung
17
Fe2S3 + 1,5 O2 + 3 H2O 2 Fe(OH)3 + 3 S + 603 KJ
Als dritte Stufe der Entschwefelung empfiehlt sich der Einsatz von Aktivkohle, wobei
Schwefelwasserstoff und Sauerstoff an der Oberfläche der Aktivkohle adsorbieren. Die
katalytischen Eigenschaften der Aktivkohle bewirken ein Aufspalten der einzelnen Moleküle:
O2 (aq) ⇒ 2O- (aq) sowie H2S ⇒ HS- + H+
Kommt der dissoziierte Schwefelwasserstoff mit einem Sauerstoff-Ion in Kontakt, entstehen
H2O und S (elementarer Schwefel):
HS- + H+ + O- ⇒ S + H2O
Der Schwefel wird in die Aktivkohle eingelagert. Dabei kann die Aktivkohle in der Praxis mit
0,2 bis 0,5 kg Schwefel / kg Aktivkohle beladen werden, wobei mit zunehmendem
Schwefelgehalt die katalytische Aktivität der Aktivkohle sinkt. Die Aktivkohle muss nach
Erreichen dieser Beladung ausgetauscht und entsorgt werden. Ein weiterer großer Vorteil der
Aktivkohleentschwefelung ist, dass gleichzeitig für das BHKW schädliche Siloxane und
Halogenverbindungen aus dem Biogas beseitigt werden.
1.9. Industrielle Verwertung von Biogas in Biogasanlagen
Biogas ist ein hochwertiger Energieträger und kann auf vielfältige Weise eingesetzt werden.
Im industriellen Maßstab ist die gebräuchlichste Nutzungsform die Umwandlung in Strom und
Wärme, mittels eines BHKWs.
Von den ca. 8700 in Deutschland installierten Biogasanlagen setzen ca. 8200 Anlagen
nachwachsende Rohstoffe (NaWaRo) als Substrate wie Mais, Gras- und Getreide-Arten ein.
Ferner werden hier auch tierische Nebenprodukte wie Rinderfestmist, Gülle, Hähnchenmist,
Hühnertrockenkot, etc. eingebracht. Weiterhin existieren ca. 560 reine Güllekleinanlagen (≤
75 kWel.). Lediglich ca. 335 Anlagen verwerten biogene Reststoffe wie Bioabfall, Speisereste,
Schlachtabfälle, überlagerte Lebensmittel, Flotate, Magen-/Darminhalte, etc. [106]. Die festen
Substrate werden zumeist über einen Feststoffdosierer, die flüssigen zumeist über eine
Vorgrube eingebracht und dem Fermenter zugeführt. Bei biogenen Reststoffen erfolgt in der
Regel eine Hygienisierung (70º C für 1 Stunde), bevor das Substrat in den Fermenter gepumpt
wird. In einem Fermenter finden die unter 1.8. beschriebenen Prozesse statt, also die 4-stufige
Bildung des Endproduktes Methan. Das Methan als Schwachgas (50 – 70 % (v/v) Methan)
wird nach einer Aufbereitung (Gasreinigung, -entfeuchtung und –kühlung) in das BHKW
überführt. Dort wird durch die Verbrennung des Gases im Motor mechanische Energie erzeugt,
die einen Generator antreibt. Der im Generator erzeugte Niederspannungsstrom wird mit
Einleitung
18
einem Trafo in eine netzkonforme Mittelspannung überführt. Mit einer Übergabestation wird
dieser Strom in das Stromnetz eingespeist.
Ein „Abfallprodukt“ der Verstromung durch BHKWs ist die Abwärme. Die meisten
Biogasanlagen nutzen diese Wärme zur Versorgung ihrer eigenen Fermenter und speisen den
Überschuss in Nahwärmenetze oder Trocknungssysteme ein. Damit erhalten diese Anlagen
eine weitere und wirtschaftlich bedeutende Förderung im Bonussystem, den Kraft-Wärme-
Kopplungs- Bonus (KWK-Bonus) [107].
Die ausgegorenen Reste der Substrate, die Gärreste, stellen einen hervorragenden
anorganischen Wirtschaftsdünger dar. Da bei der Biogasproduktion überwiegend die
organischen Kohlenstoffverbindungen zu CH4 und CO2 verstoffwechselt werden, bleiben
anorganische Substratbestandteile wie Stickstoff, Phosphat, Kalium, etc. aus dem
Ausgangssubstrat nach der Vergärung in den Gärresten erhalten.
Methoden
19
2. Methoden
2.1. Versuchsaufbau Satzprozess / kontinuierliche Fermentation
Innerhalb des Forschungsprojektes wurden Biogas Satzprozess-Versuche und kontinuierliche
Versuche mit den Algenstämmen Chlorella vulgaris und Scenedesmus obliquus durchgeführt.
Beide Algenstämme wachsen schnell und können in offenen und geschlossenen
Photobioreaktor-Systemen ohne Kontamination gut kultiviert werden. Damit ist ein robuster
Prozess zur Biomasse-Herstellung gegeben. Zusätzlich bildet Scenedesmus obliquus unter
Nährstofflimitierung (insb. N-Limitierung) intrazelluläre Speicherstoffe wie Lipide, die in
Biogasprozessen die Methanausbeute erhöhen. Im Rahmen des Projektes wurde jedoch initial
kommerziell erhältliche unlimitierte Chlorella vulgaris Biomasse benutzt, um erste Versuche
zur Biogasproduktion mit Algen zu gewinnen. Hier zeichnete sich ab, dass der hohe
Proteingehalt den Einsatz dieser nicht limitierten Biomasse einschränkt. Im Zuge der
Prozessvalidierung und Diversifizierung mit Scenedesmus obliquus wurde N-limitierte, entölte
Algenrestbiomasse genutzt, die nur einen sehr geringen Proteingehalt auswies. Die hier
gewonnenen Daten waren projekt- und skalierungsrelevant für die industrielle Nutzung von
Algenbiomasse in Biogasanlagen. Neben den Effekten der individuellen Biomasse-
Bestandteile wurde auch der Einfluss des Salzgehaltes auf die anaerobe Vergärung
untersucht.
Abbildung 2: Satzprozess (links), semi-kontinuierlicher Versuch (rechts) (Foto vom Autor).
Methoden
20
2.2. Substrat: Chlorella vulgaris
Sowohl trockene als auch frische Biomasse wurde von der Roquette Klötze GmbH & Co. KG
bezogen. Diese hatte einen Gesamttrockensubstanzgehalt (TS) von 8,8 % (frisch) bzw. 88,5
% (getrocknet). Die organische Trockensubstanz lag bei 93,1 g gTS-1 bzw. 89,7 g gTS-1. Die
Werte wurden über 24 Stunden in einem Trockenschrank bei 105°C (TS) und durch
Veraschung der getrockneten Probe in einem Muffelofen bei 550°C über 3 Stunden (oTS)
ermittelt. Diese Substrate wurden verwendet, um die Fermenter mit vergleichbaren
Raumbelastungen zu betreiben, was zu der folgenden Zusammensetzung der Satzprozesse
führte. Als Referenzsubstrat wurde kommerzielle mikrokristalline Cellulose (Avicel, Sigma-
Aldrich, Weilheim, DE) in analytischer Qualität mitvergoren. Die Wahl für Avicel als
Referenzsubstrat resultierte aus der Überlegung, dass die Chlorella vulgaris Zellwand, die als
Primärbiogassubstrat erachtet wurde, weitgehend aus Zellulose besteht [108].
Experiment Blindprobe Referenz Chlorella
trocken
Chlorella frisch
Substrat - Zellulose Trockene
Algenbiomasse
Frische
Algenbiomasse
Inokulum
(g FM /
Satzprozess)
1.400 792 790 790
Wasser
(g/Satzprozess)
0 610 610 475
Substrat Input (g
FM / Satzprozess)
0 11 14 135
pH Wert Start 7,8 7,9 7,1 7,7
Tabelle 4: Kenndaten Versuchsansatz [110].
2.3. Substrat Scenedesmus obliquus
Die Grünalge Scenedesmus obliquus wurde ohne NaCl kultiviert und mit überkritischem
Kohlendioxid extrahiert, wie von Lorenzen et al. [65] beschrieben. Für alle Fermentationen
wurden lyophilisierte Algenreste als Substrat verwendet. Die Gesamttrockensubstanz (TS)
wurde mit 92,5 g gFM-1 und die organische Trockensubstanz (oTS) mit 87,7 g gTS-1 gemessen.
Die Werte für TS und oTS wurden analog zur Bestimmung von Chlorella vulgaris ermittelt. Zur
Beimpfung der Fermenter und für den Blindversuch wurde Impfsubstrat aus einer
landwirtschaftlichen Biogasanlage verwendet. Vor dem Experiment wurde der TS-Gehalt mit
Methoden
21
4,8 g gFM-1 und der oTS–Gehalt mit 65,7 g gTS-1 bestimmt. Anschließend wurde die
Salzkonzentration entsprechend eingestellt.
Substrat Blind-
probe
Scenedesmus obliquus
Bezeichnung Nullprobe Alge
Unbehan-
delt
Alge
2 % NaCl
Alge
5 % NaCl
Alge
10 % NaCl
Alge 3 %
NaCl
gesamt
Einwaage Inokulum
[g FM/Fermenter]
1.600 880 880 880 880 880
Einwaage Wasser
[g FM/Fermenter]
0 521 520 520 520 521
Einwaage Substrat
[g FM/Fermenter]
- 16 16 16 16 16
Einwaage NaCl
[g/Fermenter]
- - 2,1 5,3 10,6 42,0
Salzkonzentration
bezogen auf
Algensuspension/
Gesamtansatz
- - 2% /
0,15%
5% /
0,38%
10% /
0,76%
40% /
3%
pH Wert Start 7,9 8,0 8,0 8,0 8,0 8,0
Leitfähigkeit Tag 1 (mS
cm-1)
32,7 22,3 24,6 27,8 32,9 62,2
Fermentationszeit
(Tage)
28
Tabelle 5: Zusammensetzung für Satzprozess-Fermentationsversuche [111].
2.4. Satzprozess Versuche Chlorella vulgaris, Scenedesmus obliquus
Die Fermentation wurde nach dem Protokoll VDI 4630 zur Abschätzung der Biogasausbeute
bei einer Temperatur von 38,0 +/- 0,5°C in einem Volumen von 1.400 ml in 2 l Glaskolben im
dreifachen Ansatz durchgeführt. Die VDI 4630-Richtlinie definiert Regeln und Vorgaben für
Vergärungsversuche zur betrieblichen Optimierung von Biogasanlagen [109]. Die Menge des
produzierten Biogases wurde mit einem Gasdurchflussmesser (MilliGascounter, Ritter GmbH,
Deutschland) gemessen. Die Gaszusammensetzung, welche Methan, Kohlendioxid,
Sauerstoff, Wasserstoff und Schwefelwasserstoff enthielt, wurde mittels eines Gasanalysators
Methoden
22
AwiFLEX (Awite Bioenergie GmbH, Deutschland) bestimmt. Die Leitfähigkeit für den
Scenedesmus-Versuch wurde mit einem tragbaren Leitfähigkeitsmessgerät Almemo 2490
(Ahlborn Mess- und Regelungstechnik GmbH, Deutschland) gemessen. Alle Experimente
wurden über 28 Tage in dreifacher Wiederholung durchgeführt.
2.5. Kontinuierliche Fermentation Chlorella vulgaris
Das Experiment wurde mit drei Chargen frischer Biomasse von Chlorella vulgaris (Roquette
Klötze GmbH & Co. KG, Deutschland) durchgeführt. Die Biomasseanalyse vor der
Fermentation wurde wie in Abschnitt 2.2 beschrieben durchgeführt. Insgesamt wurden drei
Chargen Algen angeliefert. Die Algensuspension wurde kühl und dunkel gelagert.
Satzprozess 1 Satzprozess 2 Satzprozess 3
TS (%) 11,0 13,4 15,0
oTS(%TS) 93,8 92,0 86,2
oTS (%FM) 10,3 12,4 12,9
pH 5,3 5,0 5,8
Tabelle 6:Kenndaten der verwendeten Substrate [110].
Die kontinuierliche Fermentation wurde 64 Tage in 30-l-Glasfermentern (H = 100 cm, Ø = 20
cm) durchgeführt, die mit einem zentralen Rührwerk, einem Gasauslass, einem Sondenventil,
einem Temperatursensor und einem spiralförmigen Wasserwärmetauscher ausgestattet
waren. Jeder Fermenter wurde mit 28,0 Liter Inokulum aus einer landwirtschaftlichen
Biogasanlage befüllt. Jeden Tag wurde 1 l Gärrest entnommen, während gleichzeitig der
Fermenter gerührt wurde. Hierauf wurde dann frische Biomasse mit Fermentersubstrat
gemischt und in den Reaktorbehälter eingefüttert. Einmal pro Woche wurde der Füllstand des
Fermenters angepasst, so dass der Füllstand über die gesamte Versuchsdauer gleichblieb.
Während der Fermentation wurde die Faulraumbelastung von 1,0 kg oTS/(m³*d) auf 3,0 kg
oTS/(m³*d) erhöht, nachdem sich die Biogasproduktion stabilisiert hatte. Die Temperatur
wurde konstant bei 42,0 ± 0,3° C gehalten und das Rührwerk arbeitete in Intervallen von 10
Minuten, gefolgt von einer Pause von 5 Minuten. Die Gaszusammensetzung und -menge
wurde mit den gleichen Geräten gemessen wie in Abschnitt 2.4. beschrieben. Sobald
Gasströme über 1 L h-1 erreicht wurden, erfolgte die Messung mit Trommelgaszählern TG 0,5
(Ritter GmbH, Deutschland).
Der Gärrest wurde wöchentlich analysiert. Die ersten 40 Tage wurde die Probe 5 Stunden
nach der Fütterung entnommen. Während der restlichen Versuchslaufzeit wurde die
Methoden
23
Gärrestprobe dann 2 Stunden nach der Fütterung entnommen, da die ermittelten Gehalte an
flüchtiger organischer Säure bereits sehr niedrig waren. Der Gehalt an Gesamtfeststoffen (TS)
und organischer Trockensubstanz (oTS) wurde, wie in 2.2. beschrieben, abgeschätzt.
Zusätzlich wurden flüchtige organische Säuren (FOS) durch Gaschromatographie (CP - 3800
GC, Varian Analytical Instruments Inc., USA) gemessen. Der Gesamtgehalt an anorganischem
Kohlenstoff (TAC) wurde durch Oxidation und IR-Detektion mit TOCOR 2 (Maihac AG,
Deutschland) gemessen. Zusätzlich wurde Ammoniakstickstoff unter Verwendung eines
Ammoniakstickstoff-Kits auf Salicylatbasis (Hach, Lange GmbH, Deutschland) und ein
Spektrophotometer (Hewlett-Packard 8453 UV-Vis PAD, HP Deutschland GmbH
Deutschland) verwendet. Nach der abgeschlossenen Fermentation wurde der Gärrest
zusätzlich durch optische Emissionsspektroskopie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-MS
OES 710-Serie, Agilent Technologies, Inc., USA) untersucht.
Um die übermäßige Freisetzung von Schwefelwasserstoff zu unterdrücken, wurde täglich, ab
dem Tag 59, 1 g Entschwefelungsmittel Bayoxide E33, (LANXESS AG, Deutschland),
zugegeben.
2.6. Kontinuierliche Fermentation Scenedesmus obliquus
Im kontinuierlichen Durchflussfermenter wurde die Monovergärung der Grünalge
Scenedesmus obliquus bei verschiedenen Salzgehalten getestet. Das Experiment wurde für
70 Tage in 30 l Glasfermentern (H = 100 cm, Ø = 20 cm) durchgeführt, die mit einem zentralen
Rührer, einem Gasauslass, einer Probeentnahme, einem Temperatursensor und einem
Spiralwasser-Wärmetauscher ausgestattet waren. Jeder Fermenter wurde mit 28,0 Liter
Inokulum einer landwirtschaftlichen Biogasanlage befüllt. Die Faulraumbelastung betrug bis
zum Tag 50 1,0 kg oTS/(m³*d) und wurde dann bis zum Ende des Experiments auf 1,5 kg
oTS/(m³*d) erhöht. Die Fütterung erfolgte alle 24 Stunden durch Zugabe von in 250 ml
entionisiertem Wasser suspendierter Biomasse mit der entsprechenden Menge
Natriumchlorid. An 4 bis 5 Tagen pro Woche wurde eine kleine Probe aus dem Fermenter
entnommen, um die Leitfähigkeit vor der zusätzlichen Fütterung zu messen. Einmal pro Woche
wurde der Füllstand des Fermenters durch Entfernen des Gärrestes eingestellt, um den
Füllstand konstant zu halten. Die Temperatur wurde konstant bei 42,1 ± 0,3ºC gehalten, und
das Rührwerk arbeitete in Intervallen von 10 Minuten, gefolgt von einer Pause von 5 Minuten.
Nach 60 Tagen wurde die Fütterung unterbrochen, um zu überprüfen, ob noch eine weitere
Gasproduktion erfolgte. Die Gaszusammensetzung und -menge wurde unter Verwendung der
gleichen Vorrichtungen gemessen, wie sie für die Satzprozesse beschrieben wurden, mit der
Ausnahme, dass Gasströme über 1 l h-1 mit Trommelgaszählern TG 0,5 (Ritter, Deutschland)
gemessen wurden. Der Gärrest wurde wöchentlich analog zum kontinuierlichen Chlorella
vulgaris Versuch analysiert [110].
Publikationen
24
3. Publikationen
3.1. Zusammenfassung der anhängenden Publikationen
Satzprozess und kontinuierliche Biogasfermentation Chlorella vulgaris
Der Artikel “Batch and Continuous Biogas Fermentation of the Fresh Water Algae Chlorella
vulgaris - Detailed Process Analysis” wurde 2018 im “Journal of Bioprocessing &
Biotechniques” (DOI: 10.4172/2155-9821.1000338) veröffentlicht. Der Autor der These, Timm
Adamietz, entwickelte das Konzept, generierte, interpretierte die Daten und schrieb als
Erstautor das Manuskript.
Während sich frühere Publikationen auf den Einfluss der Vorbehandlung von Biomasse und
auf die Biogaserträge an sich konzentrierten, untersuchte dieser Versuch die Dynamik der
Biogasfermentation im Detail. Um technisch relevante Ergebnisse zu erzielen und eine
Empfehlung für Biogaserzeuger aussprechen zu können, wurde in diesem Versuch ein
normierter Aufbau nach VDI 4630 angewendet. Zusätzlich wurden regelmäßig Gas- und
Gärrestanalysen durchgeführt. Dieser spezielle Aufbau wird herkömmlicherweise für
Standard-Substrattests angewendet, wenn Industriekunden ihre Prozesse optimieren wollen.
Obwohl Chargenvorversuche Biogaserträge von 537,9 lN kg-1 oTS für getrocknete Chlorella
vulgaris und 443,6 lN kg-1 oTS für frische Biomasse mit Methankonzentrationen von 60,0 %
(v/v) und 61,1 % (v/v) ergaben, konnten diese Werte unter technisch relevanten Bedingungen
mit der eingestellten Faulraumbelastung nicht gehalten werden. Die ermittelten Daten zeigen,
dass die maximale Faulraumbelastung für eine stabile kontinuierliche Fermentation von
Chlorella vulgaris zwischen 1,0 und 1,5 kg oTS/(m³*d) liegt. Der Hauptgrund für dieses
Problem war die langsame Umsetzung der Proteinfraktion. Diese Situation könnte durch die
hohe Ammoniakkonzentration im Gärsubstrat (~ 3 g l-1) sowie den hohen Gehalt an
Gesamtstickstoff (8 g kg-1 FM) und Protein (54 % w/w TS) im Gärsubstrat erklärt werden.
Obwohl theoretisch eine bessere Fermentationseffizienz durch eine Änderung der
Fermentationsbedingungen und einer Anpassung der Mikroorganismen möglich wäre, würde
der Abbau von Proteinen letztendlich zu einer Ammoniakhemmung führen. Die Daten zeigen,
dass die Fermentation von unlimitiert kultivierter Chlorella vulgaris Biomasse als Monosubstrat
problematisch und nicht empfehlenswert ist. Die Anwendung von Algenbiomasse als Ko-
Substrat jedoch könnte eine wertvolle Ergänzung zu landwirtschaftlichen Einsatzstoffen sein,
die einen hohen Kohlenhydrat- und einen niedrigen Proteingehalt aufweisen (z.B.
hydrolysiertes Getreidestroh). Die in den Algen enthaltenen Proteine erhöhen die
Methankonzentration. Weiterhin beeinflussen die enthaltenen Spurenelemente die
Fermentations- und Düngemittelqualität positiv.
Publikationen
25
Satzprozess und kontinuierliche Biogasfermentation aus extrahierten, halophilen
Algenresten der Scenedesmus obliquus mit hohem Salzgehalt
Der Artikel “Biogas yields and composition from oil‑extracted halophilic algae residues in
conventional biogas plants operated at high salinities” wurde 2019 in “Bioprocess and
Biosystems Engineering” (https://doi.org/10.1007/s00449-019-02185-8) veröffentlicht. Der
Autor der These, Timm Adamietz, entwickelte das Konzept, generierte, interpretierte die Daten
und schrieb als Erstautor das Manuskript.
Durch die Versuche mit Chlorella vulgaris wurde die Machbarkeit der Biogasfermentation von
Mikroalgenbiomasse in landwirtschaftlichen Standard-Biogasanlagen untersucht [110].
Daraus war ersichtlich, dass sich die Kofermentation mit begrenzten Mengen von
Süßwasseralgen für den Anlagenbetreiber als vorteilhaft erweisen würde. In den Versuchen
mit Scenedesmus obliquus wurde die Verwendung von halophilen Algenbiomasse-
Rückständen, nach der Lipidextraktion, in konventionellen Biogasanlagen untersucht [111].
Ein zentraler Schwerpunkt des Versuches war die Untersuchung der Biogasausbeute und der
Prozessstabilität mit Algenbiomasse, die steigende Salzkonzentrationen enthielt. Die
Verwertung dieses Rückstandes war für die gesamtwirtschaftliche Betrachtung des AFK-
Projektes von wesentlicher Bedeutung.
Es konnten überdurchschnittlich hohe Methanerträge von 213,2 lN/kg oTS generiert werden.
Dies lässt den Schluss zu, dass die im Rahmen der Vorbehandlung mit überkritischer CO2-
Ölextraktion behandelten Algen eine verbesserte Hydrolyse der Kohlenhydrate und Proteine
bei der Methanisierung ermöglicht. Die Zellen wurden vor der Extraktion auch mittels
Hochdruckhomogenisation aufgeschlossen. Es sollte also nach den beiden Schritten eine
deutlich größere Angriffsfläche für die Mikroorganismen vorhanden und die Strukturen
aufgebrochen sein.
Die Methanausbeuten waren etwa 20 % (v/v) höher als die Literaturwerte, die mit demselben
Algenstamm ohne vorherige Ölextraktion ermittelt wurden. Die Daten zeigen, dass ein
kontinuierlicher, anaerober Aufschluss ohne Verlust der Fermentationseffizienz bis zu einer
Salzkonzentration von 2 % (w/v) möglich ist, wenn herkömmliche, landwirtschaftliche
Biogasanlagen schrittweise an den Salzgehalt des Substrats angepasst werden. Die
Monofermentation des untersuchten ölextrahierten Algenrückstands ist bei einer
Faulraumbelastung von 1,5 kg oTS/(m³*d) technisch realisierbar. Eine Ergänzung mit
kohlenhydratreicher Biomasse würde sich jedoch als vorteilhaft, auch zur Abschwächung der
auftretenden Ammoniakhemmung, erweisen.
Publikationen
26
3.2. Original Publikationen
Batch and Continuous Biogas Fermentation of
the Fresh Water Algae Chlorella vulgaris -
Detailed Process Analysis
Research Article Open Access
Journal of Bioprocessing & Biotechniques
Journ
al o
f B
io
processing &
B
iote
ch
niq
ues
ISSN: 2155-9821
Adamietz et al., J Bioprocess Biotech 2018, 8:4DOI: 10.4172/2155-9821.1000338
J Bioprocess Biotech, an open access journalISSN:2155-9821 Volume 8 • Issue 4 • 1000338
*Corresponding author: Brück T, Werner Siemens Chair of Synthetic Biotechnology,
Department of Chemistry, Technical University of Munich, Lichtenberg Str. 4, 85748
Garching Near Munich, Germany, Tel: +498928913253; E-mail: [email protected]
Received September 13, 2018; Accepted October 03, 2018; Published October
09, 2018
Citation: Adamietz T, Jurkowski W, Adolph J, Brück T (2018) Batch and Continuous
Biogas Fermentation of the Fresh Water Algae Chlorella vulgaris - Detailed Process
Analysis. J Bioprocess Biotech 8: 338. doi:10.4172/2155-9821.1000338
Copyright: © 2018 Adamietz T, et al. This is an open-access article distributed
under the terms of the Creative Commons Attribution License, which permits
unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original
author and source are credited.
Keywords: Algae; Biogas; Chlorella; Continuous; Digestate analysis; Gas analysis; Methane yield; Organic loading rate
Introduction
The finite availability of fossil resources for energy generation and the resulting effects of climate change drive the industrial development of renewable energy solutions. While solar, wind and waterpower can be harnessed using only mechanical engineering, production of first and second generation biofuels that are based on terrestrial plant material are associated with land use change, reduced biodiversity and competition with food production. Microalgae grow 10 times faster than terrestrial plants and their cultivation can be accomplished on non-arable land utilizing waste-, brackish- or seawater. Therefore, algae biomass production for biofuel generation does not compete with agricultural activity and is not associated with land use change. Moreover, as algae biomass production is associated with minimal land use of 2 m²/GJ (as compared to 258 m²/GJ for rapeseed oil), there is sufficient potential to significantly contribute to a global solution for a sustainable energy supply [1]. Microalgae of the genus Chlorella sp., are one of the most productive biomass producers even when cultivated in simple outdoor, open pond systems using municipal wastewater [2,3]. In this configuration the algae biomass is not only a potential source of bioenergy, but it additionally facilitates wastewater treatment by the uptake of nutrients, which would otherwise lead to an eutrophication of natural water reservoirs [4]. Using algae cultures instead of the competing Anamox [5], processes for wastewater treatment is also superior in the context of nutrient recycling, as nitrogen is chemically fixed in the biomass. In contrast to the conventional Anamox process, nitrogen in algae biomass is not oxidized and released into the atmosphere. To that end, High Rate Algae Ponds (HRAP) are a
particularly successful approach, which affords water treatment at an even lower energy demand and land use than conventional wastewater systems [6]. Although the efficiencies are obviously higher in regions with consistent sunlight, an experimental pilot plant of this kind is currently operating in Wessex (UK) with good results [7].
The immense interest and development in the field of algal biofuels as seen by the rising amount of related publications [8] has reached a point, where techno-economic studies confirm the feasibility of bioenergy generation based on wastewater utilization [9]. At present, most approaches for valorisation of algal biomass rely on their high lipid content and biodiesel production [8]. Nevertheless, the downstream processing of biomass including lipid extraction and transesterification is complex and energy demanding [10]. Novel approaches like hydrogen generation or hydrothermal liquefaction-although promising-need further research and development to meet economic constraints [11]. In this context, an established and scalable
Batch and Continuous Biogas Fermentation of the Fresh Water Algae Chlorella vulgaris - Detailed Process AnalysisTimm Adamietz1, Wojciech Jurkowski1, Jan Adolph2 and Thomas Brück1*1Department of Chemistry, Technical University of Munich (TUM), Munich, Germany2DABEC-Bioenergy Consulting, Reuningstr 13, Dresden, Germany
Abstract
As algae grow about 10 times faster than terrestrial plants and their cultivation does not compete with agricultural
activity, there is an enhanced interest in using algae biomass as an advanced biogas substrate. While previous reports
focus on the influence of biomass pre-treatment and on biogas yields, this study examines the biogas fermentation dynamics in detail. To generate technically relevant results and delineate a recommendation for commercial biogas
producers, our experimental set-up utilized a normed industrial, continuous setup according to VDI 4630 combined with regular gas and digestate analysis. This particular setup is conventionally applied for standard substrate tests
when industrial customers optimize their processes. Although batch pre-experiments indicate biogas yields of 537.9 lN kg-1 VS for dried Chlorella and 443.6 lN kg-1 VS for the fresh biomass with methane concentrations of 60.0% v/v and 61.1% v/v respectively, we could not maintain these values under technically relevant organic loading rates. From our data we can conclude, that the maximum loading rate for stable continuous fermentation of C. vulgaris is between 1.0 and 1.5 kg VS m-3 d-1. The main reason for this problem was sluggish digestion of proteins. This
situation could be deduced by the high ammonia concentration in the fermentation broth (~ 3 g l-1) as well as the high
nitrogen (8 g kg-1 FM) and protein (54% (w/w TS) content in the digestate. Furthermore desulfurization was required to alleviate the inhibition of methanogenesis, which was observed from 1700 ppm H
2S in the biogas. Although better
fermentation efficiency might theoretically be possible by altering the fermentation conditions and adaptation of microorganisms, the degradation of proteins would ultimately lead to inhibitory ammonia nitrogen concentrations.
Our cumulative data indicate that fermentation of C. vulgaris as monosubstrate is problematic and not advisable.
The application of algae biomass as a co-substrate could a valuable addition to any agricultural plant biomass
substrate, which has a high carbohydrate content and low protein content (i.e., hydrolyzed cereal straw). Not only
will the proteins increase methane concentration, but also the captured trace elements would positively influence the fermentation and fertilizer quality, which adds additional value to biogas side-product streams.
Citation: Baran MF, Duz MZ, Uzan S, Dolak İ, Celik KS, et al. (2018) Removal of Hg(II) from Aqueous Solution by Bacillus subtilis ATCC 6051 (B1).
J Bioprocess Biotech 8: 338. doi:10.4172/2155-9821.1000338
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technology, namely biogas fermentation, is becoming a focal interest in the algae biotechnology community, due to its process robustness and scaling flexibility. As technological simplicity, process robustness and low investment costs are of primary concern for commercial operators, direct biogas production from the algal biomass, without the need for dewatering is a straightforward route for energy production. Raw algal biomass provides only between 15-84 g/l dry matter making it inefficient in terms of organic loading rates and land use, therefore a pre-concentration step like cost efficient flocculation and potentially subsequent drying is advisable [12]. Considering excess heat production in many biogas cogeneration units an air-drying of the algal sediment prior to fermentation would also be feasible to enhance energy efficiency and reduce costs.
This study provides a thorough systematic assessment of biogas productivity in terms of total and space time yields using the freshwater algae Chlorella vulgaris as a feedstock. More importantly, we contrast the biogas performance of fresh and dried algae biomass samples in batch and continuous fermentation settings. Although algae cultivated in wastewater may just serve as co-substrate for existing biogas plants, their low dry matter discourages long distance transports. Utilization as a mono-substrate in dedicated plants may sometimes be the only economical solution, which is why we analyze the process stability and yields in this scenario. In this study we provide a detailed process analysis and potential optimization for algae biomass use in commercial biogas production scenarios.
Materials and Methods
Batch fermentation of Chlorella vulgaris fresh and dried
biomass
Dry as well as fresh biomass was obtained from Roquette Klötze GmbH and Co. KG and had a total solids (TS) content of 8,8% w/w (fresh), and 88.5% w/w (dried) (Table 1). The volatile solids (VS) were 93.1 g gTS-1 and 89.7 g gTS-1 respectively. The data was estimated by air-drying the biomass for 24 h in an oven at 105°C (TS) and by combusting the dried sample in a muffle furnace at 550°C for 3 h. This data was used to load the fermenters with similar VS amounts, which resulted in the following composition of each kind of batch experiment:
As reference microcrystalline cellulose (Avicel) of analytical grade,
supplied by Sigma-Aldrich (Germany) was digested in order to confirm the correct project setup.
The fermentation has been conducted according to the VDI 4630 protocol to estimate the biogas yield at 38.0 ± 0.5°C in a volume of 1.400 ml filled to 2 l glass flasks. The generated biogas was measured with a gas flow meter (MilliGascounter, manufactured by Ritter, Germany). The gas composition comprising methane, carbon dioxide, oxygen, hydrogen and hydrogen sulfide was determined using a gas analyzer AwiFLEX (Awite, Germany).
Continuous fermentation of Chlorella vulgaris fresh and dried
biomass
The experiment was conducted using three batches of fresh Chlorella vulgaris biomass supplied by Roquette Klötze GmbH and Co. KG. The biomass analysis prior to fermentation was performed as described (2.1). Resulting data is summarized in Table 2, in order to calculate the organic loading rate (OLR). All batches were delivered at the beginning and were kept sealed in a cool and dark place.
The continuous fermentation was performed for 64 days in 30 L glass fermenters (H=100 cm; D=20 cm) equipped with central stirring, gas outlet, probing valve, temperature sensor and a spiral water heat-exchanger. Each fermenter was inoculated with 28 L fermentation broth from an agricultural biogas plant. One liter digestate was removed manually every day, while the fermenter was agitated. Subsequently, the digestate was mixed with fresh biomass and recirculated as feed to adjust for volume changes in the reaction vessel. Once a week the fill level of the fermenter was adjusted by removing digestate for sampling. During the fermentation organic loading rates (OLR) have been increased in 0.5 steps from 1.0 -3.0 kg VS m-3 d-1 each time when the biogas production had stabilized. The temperature was held constant at 42.0 ± 0.3°C, and the agitator was working in 10 minute intervals followed by 5 minute pause rates. The gas composition and amount was measured using the same devices as described in paragraph 2.1, with the exception, that gas flows above 1 L h-1 were measured with a drum type gas meter TG 0.5 (Ritter, Germany).
The resulting digestate was analysed on a weekly basis. For this purpose, samples were collected 5 h after feeding for the first 40 days and then 2 hours after feeding, due to the measured low volatile
Experiment Blank Reference Chlorella dry Chlorella fresh
Substrate None Cellulose Dry algae biomass Fresh algae biomass
Inoculum input Mean (g FM/Batch) 1400 792 790 790
Water input Mean (g/Batch) 0 610 610 475
Substrate input Mean (g FM/Batch) 0 11 14 135
pH Value at start 7.8 7.9 7.1 7.7
Fermentation time (d) 28 28 28 28
Table 1: Composition for batch fermentation experiments.
Batch 1 Batch 2 Batch 3
TS (%) 11.0 13.4 15.0
VS (%TS) 93.8 92.0 86.2
VS (% FM) 10.3 12.4 12.9
pH 5.3 5.0 5.8
Table 2: Characteristics of the biomass batches used for the continuous fermentation, where: FM: fresh biomass.
Citation: Baran MF, Duz MZ, Uzan S, Dolak İ, Celik KS, et al. (2018) Removal of Hg(II) from Aqueous Solution by Bacillus subtilis ATCC 6051 (B1).
J Bioprocess Biotech 8: 338. doi:10.4172/2155-9821.1000338
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Results and Discussion
Batch fermentation of fresh and dried Chlorella vulgaris
biomass
The reference sample reached 785.5 lN kg-1 VS biogas yield, which confirmed the validity of the experiment, as the calculated value according to VDI 4630 is 745 lN kg-1 VS ± 10%. For both fresh and dry algae biomass, 90% of total biogas was produced after 18 days fermentation (Figure 1). The biogas yield of the samples was 537.9 lN kg-1 VS for dried Chlorella biomass and 443.6 lN kg-1 VS for the fresh biomass with methane concentrations of 60.0% (v/v) and 61.1% (v/v) respectively (Figure 2). Therefore, the total methane yield of fresh C. vulgaris was significantly lower with 270.9 lN kg-1 VS than it was the case for the dried biomass, which reached 322.6 lN kg-1 VS, as was depicted in Figure 3. This might be due to cell-disrupting properties of the drying process, which led to a release of some otherwise inaccessible nutrients, such as intracellular fats and proteins. To that end, the intracellular protein yield, this for Chlorella biomass can be as high as 60% of cell dry weight, may have been the predominant factor in enhanced biogas production from dried biomass. These findings are however in contrast to the literature, where drying of algae was reported to decrease the biogas yield to about 80% of the reference for the similar Chlorella kessleri. The authors had however measured only 335 lN kg-1 VS of biogas in their experiment. Another group reported biogas yields of 459 lN kg-1 VS for fresh, untreated Chlorella sp. Biomass [13], which is very similar to our results.
In this study we could demonstrate, that dried Chlorella can generate similar methane yields as maize silage, which yields between 300 and 350 lN kg-1 VS depending on the cultivar and harvesting time [14].
Interestingly, the our fresh algae biomass fermented more stable, reaching a maximum biogas production rate at day four followed by a rapid yield decline (Figure 1). By contrast, the dried biomass started to ferment more vigorously producing about 50% more biogas on the first day, compared to the fresh substrate. However, thereafter a decreased productivity was observed. This effect might also be explained with the higher accessibility of nutrients, such as proteins or simple sugars, which upon hydration immediately dissolve in the fermentation broth, without the need of complex hydrolysis. When this reservoir was depleted, the residual dry biomass requires additional time for the full hydration of components necessary for adsorption of
organic acid content. Total solids (TS) and volatile solids (VS) were estimated (see 2.1). Additionally, volatile organic acids (VOA) were measured by gas chromatography (CP-3800 GC, Varian Analytical Instruments, USA). Total inorganic carbon (TIC) was measured by oxidation and IR-detection with (TOCOR 2, manufactured by Maihac, Germany). Furthermore, ammonia nitrogen (NH
4-N) was measured
using a salicylate-based ammonia-nitrogen kit (supplied by Hach Lange, Germany) and a spectrophotometer (Hewlett-Packard 8453 UV-Vis PAD, Germany). After terminating the fermentation process, the digestate was additionally analysed for heavy and trace metals by inductively coupled plasma optical emission spectroscopy (ICP-OES 710 Series manufactured by Agilent Technologies, USA), as well as proximities (after Weende).
In order to supress excessive hydrogen sulphide release one gram of desulfurizing agent Bayoxide E33 (LANXESS, Germany) was added daily, beginning from day 59.
Calculations
The cumulative gas amounts (both methane and biogas) have been corrected to normal liters (at 273, 15 K and 101325 P
a, according to DIN
1343) according to equation 1:
(p )** ................
*
a w NN
N
p TV V
p T
−= (1)
Where, VN
(l) normal volume of gas,
V (l) produced gas volume,
pa
(Pa) atmospheric pressure at gas measurement time,
pw
(Pa) vapor pressure of water,
TN (K) normal temperature: 273.15 K,
T (K) Gas temperature.
Furthermore, the concentrations of methane and carbon dioxide have been adjusted to account for 100% of biogas (according to VDI 4630) according to the following equation:
2 2
2 4
100*mes
CO CO mes mes
CO CH
C CC C
=+
4 4
2 4
100* ..................mes
CH CH mes mes
CO CH
C CC C
=+ (2)
Where, 2COC (% v/v) corrected carbon dioxide concentration,
2
mes
CHC (% v/v) corrected methane concentration,
2
mes
CHC (% v/v) measured carbon dioxide concentration,
4
mes
CHC (% v/v) measured methane concentration.
The required amount of fresh biomass used to feed the fermenter was calculated according to its content of organic solids:
1 ** ...............
*
F
S S
OLR VFeed g d
TS VS
− = (3)
Where, OLR (kg m-3 VS d-1) Organic Loading Rate,
VF
(m3) Fermenter volume,
TSS
(% w/w) Total solids content of Substrate,
VSS
(% w/w) Volatile solids content of substrate.Figure 1: Daily biogas production during batch fermentation of C. vulgaris. Mean from 3 samples. Line thickness represents standard deviation.
Citation: Baran MF, Duz MZ, Uzan S, Dolak İ, Celik KS, et al. (2018) Removal of Hg(II) from Aqueous Solution by Bacillus subtilis ATCC 6051 (B1).
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enzymes, which enable subsequent depolymerisation of carbohydrate polymers (i.e., amorphous cellulose, hemicellulose) and proteins into fermentable components such as amino acids and monomeric sugars. In consequence, this scenario delays the fermentation process. An analogous fermentation pattern can be observed with cellulose, which also is a dry carbohydrate polymer substrate. With the applied cellulose sample, the carbohydrate degree of polymerization and crystallinity is even higher than in dried algae cell walls. Therefore, an extended time period was required to enzymatically generate fermentable monomeric sugars (glucose), which translates into an even longer lag phase preceding significant biogas yields.
Continuous fermentation of Chlorella vulgaris fresh and
dried biomass
Initially, the fermentation was stable, as indicated by a low VOA/TIC ratio reaching 0.25 at the time, when the experiment was terminated after 64 days with an OLR of 3.0 kg VS m-3 d-1 (Figure 4) Subsequently, new batches of algae biomass were introduced at day 16, and 52. The second batch led to an approximately 25% decrease in daily
biogas production, which slowly regenerated within the next 7 days. This effect however, can be also attributed to the increase of the loading rate, which occurred 3 days previously. The introduction of the third batch did not significantly influence the fermentation in any respect.
At a loading rate of one kg VS m-3 d-1, the specific biogas yield was approximately 500 lN kg-1 VS d-1, which accounts for 94% or 114% of the biogas yield achieved in the batch experiment with dried and fresh Chlorella respectively. At this point, the hydraulic retention time in the fermenter with about 103 days was far longer than in the batch experiment. According to the results of the batch experiment the required time for 90% biogas yield was only 18 days, hence the loading rate could have been even 5 times higher. In practice, the stepwise increase was followed by a significant decrease of the biogas yield as shown in Tables 3 and 4 (Figures 5 and 6). Interestingly it is evident, that with increasing fermentation time the methane concentration increased up to day 50 from 57% v/v to 63% v/v meaning that more fats (70% v/v methane) or proteins (75% v/v methane) were hydrolyzed and converted to methane. Another possibility is the accumulation of micronutrients in the fermenter, as the analysis of digestate after the terminated fermentation process (Table 5) shows unusually high concentrations of heavy and trace elements. While this is not unexpected, because microalgae have a tendency for metal uptake from the environment [15], the consequences on the biogas yield and methane concentration might be immense and are usually positive in the measured concentration range [16].
The decline of the methane concentration observed from day 51 might originates from a small fermentation instability, which is also reflected in the much higher amount of organic acids (VOA/TIC at 0.23 as compared to 0.13 during the previous measurements). This event might be a consequence of high hydrogen sulfide concentrations (over 1700 ppm, see Figure 7) leading to an inhibition of methanogensis and accumulation of undigested hydrolysis products.
Both the total solids as well as volatile solids (Figure 6) have started to steadily cumulate since day 25 and reached 7,8% w/w and 82% w/w respectively by the end of fermentation. The tendency of decreasing fermentation efficiency is also reflected in the biogas yield, which dropped from 506.8 in lN kg-1 VS d-1 at the start of the experiment to
Figure 2: Cumulative biogas production during batch fermentation of C. vulgaris. Mean from 3 samples. Line thickness represents standard deviation.
Experiment Blank Reference Chlorella dry Chlorella fresh
Substrate None Cellulose microcrystalline Dry algae biomass Fresh algae biomass
Specific gas yield 1N kg FM 1.9 ± 0.1 776.5 ± 10.4 463.4 ± 12.6 52.1 ± 1.4
Specific gas yield lN kg VS 53.8 ± 2.1 823.5 ± 11.1 537.9 ± 14 443.6 ± 12.1Specific methane yield lN kg VS 26.6 423.1 322.6 270.9
Mean methane content % 49.4 50.5 60 61.6Mean carbon dioxide content % 22.1 47.0 37.7 37.7
pH after fermentation 7.7 7.7 7.7 7.5
Table 3: Results of batch fermentation experiments.
Fermentation time (d) 7 14 21 28 35 42 49 56 63TS (% FM) 5.7 6.0 5.6 6.1 6.5 6.6 6.7 6.9 7.8
VS (% TS) 73.0 73.9 74.0 76.8 78.0 79.6 80.5 82.0 82.4
VOA/TIC 0.13 0.17 0.14 0.19 0.13 0.13 0.23 0.20 0.25
pH 7.6 7.8 7.8 7.8 7.8 7.9 7.8 7.8 7.8
NH4-N (mg/l) 2 970 2 700 2 910 2920 3 110 3 180 3 210 3 490 3 460
C2-C
6 (mg/l) <20 <20 <20 <20 <20
Acetic acid (mg/l) 170 - 120 - 430 - 660 - 590
Sampling time (h after
feed)5 5 5 5 2 2 2 2 2
Table 4: Overview of the digestate analysis from continuous fermentation of C. vulgaris.
Citation: Baran MF, Duz MZ, Uzan S, Dolak İ, Celik KS, et al. (2018) Removal of Hg(II) from Aqueous Solution by Bacillus subtilis ATCC 6051 (B1).
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340 in lN kg-1 VS d-1 at the end of the fermentation.
The ammonia nitrogen content was high, yet not in the range of inhibition. However, the total nitrogen of 8.0 g kg-1 indicates, that still high amounts were bound in the organic matter. The proximate analysis presented in Table 6 confirms this assumption, showing that 54.3% w/w of the digestate solid substance consists of nitrogen containing proteins which have not been degraded yet. Lipids and polysaccharides have been degraded fairly well with 3.6% w/w and 9.5% w/w remaining in the digestate respectively. Numerous literature reports demonstrate, that Chlorella can produce >50% w/ dry cell weight of protein if cultivated under non-limiting conditions [17]. According to our data this protein is not easily degradable in a biogas plant, leading to relatively a low biogas yield. On the other hand, if the remaining proteins were digested, the amount of dissolved nitrogen content might have risen above the inhibition level of 3.5 g l-1 [18]. This would have caused problems with the fermentation. It is likely, that non hydrolyzed proteins accumulated over the entire fermentation period, since the concentration of dissolved nitrogen did not significantly increase with increased loading rate. While the biogas production at the end of the fermentation was almost double (28.6 lN d-1) as compared to the start of the experiment (14.6 lN d-1), the ammonium-nitrogen had increased from 2970 mg l-1 to only 3460 mg l-1, indicating that no more proteins were hydrolyzed to amino acids, which could have been metabolized by the microbial biogas consortium.
The hydrogen sulfide concentration in the biogas (Figure 7) was low in the first 10 days and started to steadily increase up to day 40, when unexpectedly a strong decrease was observed. This correlated with the increase of the feeding rate from 2.0 to 2.5 kg VS m-3, which induced a significant increase of the specific biogas yield. After this temporary event, the concentration returned to its previous level of approx. 1700 ppm within the next 5 days. The addition of the desulfurizing agent reduced this concentration from day 59 to below 800 ppm. This in turn led to a slow but steady increase of the specific biogas yield in the final days of fermentation. In this context, it is worth mentioning, that H
2S is a degradation product of sulfur containing amino acids, such as
methionine and cysteine. Its elevated concentration clearly indicates the slightly increased digestion of proteins, subsequently leading to higher methane concentrations [19].
Conclusions
We have investigated the biogas fermentation of Chlorella vulgaris-one of the main industrially available microalgae species. Our initial batch fermentation experiments have demonstrated relatively high biogas yields of up to 537.9 lN kg-1 VS for dried chlorella and 443.6 lN kg-1 VS for the fresh biomass with methane concentrations of 60.0% v/v and 61.1% v/v respectively. While these initial data were promising, these biogas yields could not be reproduced in a commercially relevant continuous fermentation setting. Our results demonstrate that utilization of Chlorella biomass as mono-substrate is problematic, due to its high protein content. A seemingly stable fermentation has led to a severe accumulation of unfermented organic matter, which resulted in 54% protein by dry weight in the digestate. With the applied process setting, it was impossible to maintain reasonable biogas yields at elevated biomass concentrations. Particularly, at loading rates above 2.0 kg VS m-3 d-1 the biogas yield dropped to under 400 lN kg-1 VS d-1. Simultaneously, volatile solids in the fermenter started to accumulate at 1.5 kg VS m-3 d-1 and reached 82% w/w of total solids at the end of the experiment. Based on our cumulative data, we conclude, that the maximum loading rate for continuous fermentation of C. vulgaris
Figure 3: Cumulative methane production during batch fermentation of C. vulgaris. Mean from 3 samples.
Figure 4: pH value and VOA/TIC during continuous fermentation of C. vulgaris.
Figure 5: TS and VS during continuous fermentation of C. vulgaris.
Citation: Baran MF, Duz MZ, Uzan S, Dolak İ, Celik KS, et al. (2018) Removal of Hg(II) from Aqueous Solution by Bacillus subtilis ATCC 6051 (B1).
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Figure 6: Daily biogas production and biogas yield during continuous fermentation of C. vulgaris.
Figure 7: Biogas composition during continuous fermentation of C. vulgaris.
Citation: Baran MF, Duz MZ, Uzan S, Dolak İ, Celik KS, et al. (2018) Removal of Hg(II) from Aqueous Solution by Bacillus subtilis ATCC 6051 (B1).
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was between 1.0 and 1.5 kg VS m-3 d-1, however this quantity may be strongly dependent on bioreactor geometry and pretreatment, as well as potential adaptation of microorganisms over extended time periods. The biogas contained approx. 1700 ppm H
2S and required
desulfurization to overcome inhibition. Although ammonium nitrogen was low, an otherwise welcome increase of substrate degradation rate would raise its concentration above the inhibition limit. In summary, we would not advise a biogas plant operator to ferment C. vulgaris as mono-substrate but use it in combination with protein poor, carbohydrate rich substrates such as cereal straw. As the latter predominantly consists of cellulose and hemicellulose polymers, it has to be enzymatically hydrolyzed prior to fermentation to release fermentable sugars. In combination, the protein rich algae biomass would be a valuable addition to any agricultural plant, based on carbohydrates. In that regard, algae derived proteins will increase methane concentration and capture trace elements, which would positively impact the fermentation and resulting digestate fertilizer quality, thereby increasing the value to this biogas side-stream. In that regard, the combination of algae biomass with hydrolyzed agricultural residues, such as cereal straw or wood chips, represent an advanced biogas substrate admixture with an optimal C/N ratio, which does not compete with agricultural food production. Hence, the combination of algae biomass and agricultural waste streams for biogas production is in line with governmental targets that increasingly impose legislative and economic barriers on conventional biogas substrates, such as maize silage. It is therefore recommended, that commercial biogas producers may start to include algae biomass cultivated on waste water (or other non-fresh water resources) and non-arable land in their substrate portfolio.
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Day of fermentation Organic loading rate (OLR) (kg VS m-3 d) Mean biogas production (lN d) Mean biogas yield (lN kg VS d-1)
1-13 1.0 14.6 ± 0.6 506.8 ± 58.7
13-29 1.5 17.8 ± 1.6 417.2 ± 42.3
29-40 2.0 23 ± 0.9 404 ± 32.5
41-53 2.5 25.1 ± 1.8 353.2 ± 28.2
54-64 3.0 28.6 ± 2.7 340.2 ± 32.1
Table 5: Mean biogas production from continuous fermentation of C. vulgaris by OLR.
Pb mg kg TS Cd mg kg TS As mg kg TS Cr mg kg TS Cu mg kg TS Ni mg kg TS Zn mg kg TS Mn mg kg TS
14 <0.26 <3.9 26 560 22 300 210
Se mg kg TS Fe mg kg TS Co mg kg-1 TS B mg kg-1 TS Mo mg kg-1 TS Hg mg kg-1 TS N tot g kg-1 FM NH4-N g kg-1 FM
<0.32 2500 9.3 26 <0.65 <0.04 8 3.11
P g kg-1 FM P2O
5 g kg-1
FM K g kg-1 FM K
2O g kg-1 FM Mg g kg-1 FM MgO g kg-1 FM Ca g kg-1 FM CaO g kg-1 FM
2.4 5.5 2.8 3.4 0.5 0.8 0.9 1.3
Na g kg-1 FM S g kg-1 FM Ash %TS Protein %TS Fiber %TS Fat %TS0.3 0.33 18.3 54.3 9.5 3.6
Table 6: Digestate analysis after finished continuous fermentation of C. vulgaris.
Citation: Baran MF, Duz MZ, Uzan S, Dolak İ, Celik KS, et al. (2018) Removal of Hg(II) from Aqueous Solution by Bacillus subtilis ATCC 6051 (B1).
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Publikationen
35
Biogas yields and composition from
oil‑extracted halophilic algae residues in
conventional biogas plants operated at high
salinities
Vol.:(0123456789)1 3
Bioprocess and Biosystems Engineering
https://doi.org/10.1007/s00449-019-02185-8
RESEARCH PAPER
Biogas yields and composition from oil‑extracted halophilic algae residues in conventional biogas plants operated at high salinities
Timm Adamietz1 · Wojciech Jurkowski1 · Jan Adolph2 · Thomas B. Brück1
Received: 22 April 2019 / Accepted: 28 July 2019
© Springer-Verlag GmbH Germany, part of Springer Nature 2019
Abstract
CO2-induced climate change drives the development of renewable processes for industrial products. Algae processes can
actively fix and convert CO2 into value adding products, such as oils. Algae lipids hence counteract climate change and
provide access to renewable commodities. In this context, valorization of algal residues remaining after oil extraction is a
challenge for the emerging cyclic bioeconomy. This study focuses on the valorization of oil-extracted algae residues derived
from the halophilic strain Scenedesmus obliquus via anaerobic digestion. We examined the effect of prior oil extraction on
microbial digestibility and increasing salt content in the substrate with regard to biogas yield and composition. Our cumu-
lative data demonstrate that the supercritical CO2 oil extraction acts as a physical pretreatment that facilitates enhanced
hydrolysis of both polymeric call wall carbohydrates and cellular proteins, providing methane yields of 213.2 LN kg−1 VS
day−1. Methane yields were 20% higher than literature values obtained with the same algae strain in the absence of prior
oil extraction. We obtained these superior results albeit all lipids and nonpolar proteins had been extracted from the biogas
substrate. Our data indicate that continuous anaerobic digestion without loss of fermentation efficiency is feasible up to a
salt concentration of 2% w/v, if conventional, agricultural biogas plants are gradually adapted to the salt content of the sub-
strate. Monofermentation of the investigated oil-extracted algae residue is technically feasible at loading rates of 1.5 kg VS
m−3 day−1, but a supplementation with carbohydrate rich biomass would prove beneficial to alleviate ammonia inhibition.
Keywords Biogas · Salinity · Algae residue · Adaptation · NaCl · Supercritical CO2 extraction
Introduction
Climate change and looming costs of CO2 certificates drive
the development of renewable, CO2 saving processes in
the chemical, cosmetic, food and pharmaceutical indus-
tries. Recently, bioprocesses utilizing microalgae have been
flagged as a potential route to photosynthetically convert
CO2 into renewable lipid building blocks for the generation
of oleochemicals, performance food additives and bio-fuels
[1]. Therefore, numerous studies have focused on optimiz-
ing algae biomass production and target product extraction
methodologies [1]. Today, lipid yields of above 50% weight
lipid/dry cell weight are not uncommon under controlled
conditions. This was achieved for example with the microal-
gae strain Scenedesmus obliquus under nitrogen or phospho-
rus starvation [2]. Moreover, new downstream processing
methodologies enable solvent-free and food-grade quality
of the extracts [3]. However, the lipid products generated for
biofuel application are of a rather low value, which demands
technically simple and cost efficient algae cultivation and
extraction methodologies. This can only be realized using
open pond instead of closed photobioreactor systems [4].
Unfortunately, the cultivation of fresh water algae strains in
such open pond systems poses a significant threat for process
stability, due to variations in temperature and irradiation as
well as introduction of terrestrial contaminants, such as bac-
teria and fungi [5]. The latter issues of contamination can be
controlled or eliminated if halophilic algae strains are used
for production of value adding products, such as lipids [5]. In
addition, the use of halophilic algae circumvents the need for
fresh water resources, which results in a reduction of process
* Thomas B. Brück
1 Werner Siemens Chair of Synthetic Biotechnology,
Department of Chemistry, Technische Universität München
(TUM), Lichtenberg Str. 4, Garching D-85748, Bavaria,
Germany
2 DABEC, Dr. Jan Adolph Bioenergy Consulting,
Reuningstraße 13, Dersden D-01169, Saxonia, Germany
Bioprocess and Biosystems Engineering
1 3
costs and eliminates the competition with agricultural activ-
ity, thereby improving the eco-efficiency footprint of the pro-
cess. Interestingly, only minimal amounts of salts are car-
ried over into the oil product after algae biomass extraction
with supercritical carbon dioxide [6]. Hence, most of the
salt remains in extracted algae biomass residues, constitut-
ing cell wall and non-polar compounds. The valorization
of this residue is essential to the overall economic viability
of the process. Therefore, in this study we have evaluated
the utilization of oil-extracted salt containing algae biomass
residue by applying anaerobic digestion to generate biogas
and digestate fertilizer.
In our previous work, we have investigated the feasibil-
ity of biogas fermentation of microalgae biomass in stand-
ard agricultural biogas plants [7]. Therein, we concluded
that co-fermentation of limited amounts of freshwater algae
would prove beneficial for the plant operator. In this article,
we evaluate the utilization of oil-extracted halophilic algae
biomass residues in conventional biogas plants. A central
focus of the current study was the biogas yield and pro-
cess stability in the presence of algae biomass that contains
increasing salt concentrations. In general, the issue salt stress
during anaerobic digestion is not only relevant for halophilic
algae and their byproducts but also extends to other biogas
substrates, such as land fill leachate that contains high con-
centrations of ammonium chloride and sodium hydrogen
carbonate [8]. Similarly, marine fish cultivation sludge [9],
kitchen food waste [10], by-products of meat processing [11]
or dairy wastewater [12] also contains a high salt content,
which affects biogas process performance. Previous experi-
mental evidence shows that low salt concentrations promote
methanogenesis [13], while increased salinity will eventu-
ally lead to a complete inhibition and even shift to carboxy-
late production [14]. As with many inhibitory effects, their
extent can be limited by slow adaptation of the microor-
ganism, as was already demonstrated for sodium chloride
addition [15, 16].
In this study, we evaluated the fermentation efficiency of
lipid extracted algae biomass residues in conjunction with
increasing salt concentration during fermentation. For this
purpose, we initially conducted batch experiments with
four different NaCl concentrations which were followed up
with continuous experiments at gradually increasing salt
concentration.
Materials and methods
The green algae S. obliquus was cultivated without NaCl
and extracted with supercritical carbon dioxide as described
by Lorenzen et al. [6]. For all biogas fermentations, lyo-
philized algae residue was used as a substrate. Total solids
(TS) as well as volatile solids (VS) were estimated to be
92.5 g gFM−1 and 87.7 g gTS
−1, respectively. The data were
generated by air drying the biomass for 24 h in an oven at
105 °C (TS) and by combusting the dried sample in a muffle
furnace at 550 °C for 3 h (VS). Furthermore, to inoculate the
fermenter and for the blank run, digestate from an agricul-
tural biogas plant operated at high salinity was used. Prior
to the experiment, its TS was measured to be 4.8 g gFM−1
and VS 65.7 g gTS−1.
Based on the above values, an algae suspension of 14%
w/w was prepared and added for each batch. Then, the salt
concentration was adjusted accordingly.
Batch fermentation experiments were conducted accord-
ing to the VDI 4630 protocol to estimate the biogas yield at
37.2 ± 2.4 °C in a volume of 1400 ml filled to 2 l glass flasks.
The generated biogas was measured with a gas flow meter
(MilliGascounter, manufactured by Ritter, Germany). The
gas composition comprising methane, carbon dioxide, oxy-
gen, hydrogen and hydrogen sulfide was determined using a
gas analyzer AwiFLEX (Awite, Germany). Conductivity was
measured by a handheld conductivity meter Almemo 2490
(Ahlborn, Germany). All experiments were performed for
28 days in triplicates.
The continuous fermentation experiment was performed
for 70 days in 30 l glass fermenters (H = 100 cm D = 20 cm)
equipped with central stirring, gas outlet, probing valve,
temperature sensor and a spiral water heat-exchanger.
Each fermenter was inoculated with 28.0 l fermentation
broth from an agricultural biogas plant. The organic load-
ing rate (OLR) was 1.0 kg VS m−3 day−1 up to day 50 and
was then increased to 1.5 kg VS m−3 day−1 until the end of
experiment. Feeding was performed by adding biomass sus-
pended in 250 ml deionized water with the desired amount
of sodium chloride every 24 h. On 4–5 days a week, a small
sample from the fermenter was taken to measure conductiv-
ity prior to additional feeding. Once a week the fill level of
the fermenter was adjusted by removing digestate for sam-
pling. The temperature was held constant at 42.1 ± 0.3 °C,
and the agitator was working in 10 min intervals followed
by 5 min pause. After 60 days, the feeding was interrupted
to check if any more digestion of the accumulated biomass
was still commercing. The gas composition and amount
were measured using the same devices as described for batch
experiments with the exception that gas flows above 1 l h−1
were measured with drum type gas meters TG 0.5 (Ritter,
Germany).
The resulting digestate was analysed on a weekly basis.
For this purpose, samples were collected 5 h after feeding.
Total solids (TS) and volatile solids (VS) were estimated (see
2.1). Additionally, volatile organic acids (VOA) were meas-
ured by gas chromatography (CP—3800 GC, Varian Ana-
lytical Instruments, USA). Total inorganic carbon (TIC) was
measured by oxidation and IR detection with (TOCOR 2,
manufactured by Maihac, Germany) Furthermore, ammonia
Bioprocess and Biosystems Engineering
1 3
nitrogen (NH4–N) was measured using a salicylate-based
ammonia–nitrogen kit (supplied by Hach Lange, Germany)
and a spectrophotometer (Hewlett-Packard 8453 UV–Vis
PAD, Germany). After terminating the fermentation pro-
cess, the digestate was additionally analysed for heavy and
trace metals by inductively coupled plasma optical emission
spectroscopy (ICP-OES 710 Series manufactured by Agilent
Technologies, USA). All gas amounts have been corrected
to normal liters according to DIN 1343 and underwent 100%
correction as described elsewhere [7].
Results and discussion
Batch fermentation
Key fermentation results for all tested salt concentrations
are presented in Table 1. The gas generated in the blank
(inoculum) is already subtracted from the depicted biogas
and methane yields of the samples.
A previous report has suggested that the green algae
S. obliquus does not ferment well without pre-treatment
yielding only 177.94 LN kg−1 VS of methane, because of
the extraordinary durability of the sporopollenin-like cell
wall biopolymers [17]. Fermentation of the same strain
after our extraction procedure yielded 213.2 LN kg−1 VS
methane. Considering that our algae biomass residue does
not contain any lipid, which potentially could boost biogas
yields, it is surprising that we could detect a 20% increase
in biogas yield compared to literature data. While carbohy-
drates alone ferment with a theoretical methane concentra-
tion of only 50% v/v in the biogas product, we could detect
a methane concentration of 64.5% v/v, which indicates that
high amounts of cytoplasmatic protein were available and
digested [18]. The cumulative data indicate that the super-
critical lipid extraction also acted as a biomass pretreatment,
which liberated both polymeric cell wall carbohydrates and
cellular protein for biogas production. Nevertheless, while
these data were surprising we obtained even more biogas
product in an identical setup with non-extracted Chlorella
vulgaris biomass, which provided yields comparable to
maize silage [7]. Hence, current results indicate that the
physically disrupted cell wall might still be mostly inacces-
sible for enzymes present during anaerobic digestion. This
would lead to an accumulation of fiber represented as an
increase of total solids detected in our continuous experi-
mental setup (see Fig. 3).
When comparing different salinities, the experiments
suggest that biogas yields from halophilic, oil-extracted
algae residues were only slightly affected by NaCl concen-
trations up to 0.76% w/w. However, at a salt concentration
of 3% w/w, which simulates seawater, almost no biogas was
generated, indicating that the ultimate inhibitory level of
NaCl is slightly below the sea water content. These data are
in good agreement with other publications reporting that
biogas production was severely inhibited at salinities of 1%
[9] or 1.2% [12]. The daily biogas production for different
salinities depicted in Fig. 1 shows only a difference between
days 2 and 7, where the maximum biogas yield is obtained.
Table 1 Composition for batch
fermentation experimentsSubstrate Blank Scenedesmus obliquus extraction residue
NaCl concentration
In algae suspension/total
– 0%/0% 2%/0.15% 5%/0.38% 10%/0.76% 40%/3%
Inoculum input
Mean (gFM/batch)
1600 880 880 880 880 880
Water input
Mean (g/batch)
0 521 520 520 520 521
Substrate input
Mean (gFM/batch)
– 16 16 16 16 16
pH value at start 7.9 8.0 8.0 8.0 8.0 8.0
Conductivity at day 1 (mS cm−1) 32 22.3 24.6 27.8 32.9 62.2
Fermentation time (day) 28
Fig. 1 Daily biogas yield during batch fermentation. Dashed lines
represent the standard error
Bioprocess and Biosystems Engineering
1 3
Even here, only the amplitude of biogas production and
not the general trend of productivity over the fermentation
period was affected. Detailed inspection of the experimen-
tal data in Table 2 reveals that the methane yield slightly
decreased with an increasing salt concentration. Upon addi-
tion of slight NaCl amount (C = 0.15%) a 4% (60.3% v/v, see
Table 2), decline of methane concentration was detected.
With respect to the microbial biogas community, it is feasi-
ble that methanogens are the first group of microorganisms
to suffer from salt stress. A further increase of NaCl con-
centration from 0.38 to 0.76% w/v initiated a drop of biogas
yield by 20 LN kg−1 VS (6% decrease), without any further
change of methane concentration. In contrast, the change in
methane yield and concentration between 0.15 and 0.38%
NaCl was negligible. Based on our data, we cannot confirm
that low concentrations of sodium chloride promote biogas
production, as was proposed by other authors [13]. In this
context, it is however noteworthy that the supplied inoculum
already was adapted to high saline operating conditions as
indicated by the conductivity of 32 mS cm−1 (see Table 1).
The conductivity data can also be used to extract further
information about the process. In this context, it has been
already demonstrated that rising conductivity can be directly
correlated to ammonium nitrogen released during digestion
of protein rich biomass [19]. This in turn enables it to be
used as an indicator of biomass hydrolysis [20]. The highest
increase of 3.7 mS cm−1 was observed in the experiments
without NaCl supplementation; however, conductivity has
risen concurrently in other batches (between 3.3 and 3.5
mS cm−1), except for the fermentation with 3% NaCl. In the
latter experiments, the conductivity exceeding initial values
by 1.7 mS cm−1. This suggests that hydrolysis was almost
equally efficient under all tested salt concentrations below
3%, where only partial inhibition occurred. Therefore, the
small decrease in methane yield should rather be attributed
to problems during subsequent digestion stages: acidogen-
esis and methanogenesis, with the latter being more sensitive
to salinity.
Continuous fermentation
In general, the mean gas and methane yields during con-
tinuous experiment were between 17 and 34% lower than
after batch experiments, although the organic loading rate
(OLR) remained fairly low at 1.0 kg VS m−3 day−1 for the
first 50 days. Interestingly, the increase of OLR to 1.5 kg
VS m−3 day−1 had almost no negative influence on the
gas yields—see Table 3. In addition, the gas composition
remained remarkably stable throughout the experiment (see
Table 4, Fig. 2), even though significant fluctuations of gas
production have been observed (see Fig. 3). It is noteworthy
that on days 55, and 56 the observed gas yields exceeded
even those of batch experiments reaching 360 LN kg−1 VS.
Both ammonium nitrogen and volatile organic acids
remained stable, with only small accumulations over the
fermentation time (Table 5). An examination of the diges-
tate composition confirms that most of the nitrogen contain-
ing proteins were hydrolized, as the total nitrogen was only
Table 2 Summary of batch fermentation results * gas production was too low to measure exact methane concentration
Substrate Blank Scenedesmus obliquus extraction residue
NaCl in algae suspension/total – 0% 2%/0.15% 5%/0.38% 10%/0.76% 40%/3%
Biogas yield LN kg−1 FM day−1 0.9 ± 1 281.3 ± 17.9 271.4 ± 11.1 272.1 ± 3.8 255,5 ± 4.6 24.9 ± 2.1
Biogas yield LN kg−1 VS day−1 29.3 ± 1.7 346.8 ± 22.0 334.7 ± 13.7 335.5 ± 4.7 315.0 ± 5.6 30.7 ± 2.7
Methane yield LN kg−1 VS day−1 14.4 213.2 201.7 198.8 187.2 5.4*
Mean CH4 49.1 64.5 60.3 59.2 59.4 21.6*
Mean CH2 11.1 32.8 32.8 32.6 32.9 22.4
Final pH 7.7 7.6 7.6 7.5 7.5 7.3
Final conductivity mS cm−1 34.5 26.0 28.0 31.2 36.4 63.9
Table 3 Biogas production
and yield during continuous
fermentation
Organic loading rate (kg VS
m−3 day−1)
Salt concentration feed
(%)
Mean daily gas production
(LN day−1)
Mean daily gas yield
LN kg−1 VS day−1
1.0 – 7.2 ± 1.6 258 ± 56
1.0 5 7.9 ± 1.2 284 ± 44
1.0 7 8.2 ± 0.3 294 ± 12
1.0 10 7.3 ± 0.7 251 ± 20
1.5 10 10.9 ± 1.1 263 ± 25
– 20 8.4 ± 0.4 –
Bioprocess and Biosystems Engineering
1 3
1.5 g l−1 higher than the soluble ammonium nitrogen. The
ammonium nitrogen concentration increased rapidly at the
beginning of the experiment until it stabilized close to 5 g
l−1. The cummulative data suggest that the fermenter was
not overloaded and all potentially degradable organic matter
was converted to biogas. However, the amount of NH4–N
might have been responsible for the fluctuation of the total
biogas production and lower methane yields compared to the
corresponding batch experiments. The observed extent of
inhibition (25% less methane compared to batch) is in good
agreement with the literature [21].
Another challenge of our protein-rich algae residue sub-
strate was hydrogen sulphide. Its concentration increased
linearly in the biogas product upon introduction of the
higher loading rate reaching 300 ppm on day 60. However,
the fermenter was not equipped with any means of H2S
removal and only a small amount produced during the
lower OLR could potentially escape the vessel with daily
digestate sampling. Under industrial conditions, a profes-
sional desulphurisation technology is, therefore, essential.
Upon closer examination, the concentration of both
nitrogen as well as H2S—although perceptible—was not
as high as expected from a substrate containing about 50%
w/w protein. Higher H2S and total nitrogen (TKN) values
were measured for the less protein-rich C. vulgaris fer-
mented at similar loading rates [7]. This in turn suggests
that a significant portion of protein was lost during extrac-
tion with supercritical CO2, as indicated during purifica-
tion of crude extracts [6].
Table 4 Biogas composition
during continuous fermentationOrganic loading rate
(kg VS m−3 day−1)
Salt concentra-
tion feed (%)
CH4 (%) CO2 (%) H2S (ppm) H2 (ppm)
1.0 – 57.2 ± 1.7 42.8 ± 1.7 23.6 ± 90 37.8 ± 9.5
1.0 5 58.3 ± 1.1 41.7 ± 1.1 1.5 ± 8.8 40.3 ± 14.9
1.0 7 58.4 ± 1 41.6 ± 1 3.5 ± 11.1 32.4 ± 8.6
1.0 10 58.2 ± 1.2 41.8 ± 1.2 0 32.8 ± 10.8
1.5 10 55.5 ± 3.9 44.5 ± 3.9 140.5 ± 113.8 50.6 ± 1.27
1.5 20 58.3 ± 3.1 41.7 ± 3.1 297 ± 138.5 45.7 ± 9
– – 60.6 ± 4.8 39.4 ± 4.8 463.2 ± 54.3 61.5 ± 2.2
Fig. 2 Biogas composition
during continuous fermentation.
Sampling rate, 8 h
Bioprocess and Biosystems Engineering
1 3
The feeding introduced gradually more salt to the sys-
tem, which was reflected by the rising conductivity depicted
in Fig. 4. This approach allowed for a slow adaptation of
microorganisms to high salinity and in consequence a stable
fermentation at conductivities up to 60 mS cm−1 (2% NaCl).
These values are much higher than previously reported [8,
14, 22]. In fact, methane production under such conditions
was already demonstrated with the aid of cultures derived
from marine sediments [23], but never from an agricultural-
based biogas plant. A principal proof of concept for such a
salt adaptation has, however, been previously reported with
propionic acid utilizers [16].
As a consequence of inorganic salt, also the TS content
increased from 4.2 to 8.5% on day 60 (see Fig. 5); how-
ever, only 2.3% of the accumulated TS can be attributed to
sources other than NaCl introduced in the feed. Under those
circumstances, the apparent VS of 55% can be translated
into 75% if no salt had been added. While this might not be
an outstanding result, such values are typical for agricul-
tural biogas plants and represent a fermentation efficiency
of approximately 59% [24]. These data additionally affirm a
good fermentation efficiency, as there is no excessive accu-
mulation of undigested organic matter in the fermenter (see
Table 6).
Although Scenedesmus is a robust algae species with bio-
mass yields of 0.14 g l−1 day−1 and lipid content above 30%
Fig. 3 Biogas production and yield during continuous fermentation
Table 5 Organic acids and ammonium nitrogen during continuous fermentation
Day 1 Day 8 Day 15 Day 22 Day 29 Day 36 Day 43 Day 50 Day 57 Day 64
NH4–N (mg l−1) 3000 4310 4090 4100 4690 5110 4710 5560 4460 5470
Acetic acid (mg l−1) – 300 – 360 – 420 – 510 – 1000
Other acids (mg l−1) Propionic acid 20 Propionic
acid 88
Iso-
Butyric
acid 160
n-butyric
acid 36
iso-valeric
acid 57
Fig. 4 Conductivity during
continuous fermentation
Bioprocess and Biosystems Engineering
1 3
[25] under industrial conditions, its indigestible cell wall
and high protein content of more than 50% w/w make it less
suitable for anaerobic digestion. However, our results sug-
gest that an oil-extracted algae residue might be successfully
used as a biogas substrate even for monodigestion. The cell
disruption associated with supercritical CO2 extraction is
a sufficient pretreatment method to release both polymeric
saccharides and proteins in a form that can be digested
by conventional biogas microbial communities present in
agricultural biogas plant. Nevertheless, still some cell wall
components remain inaccessible for hydrolysis and as a con-
sequence the methane yield is low compared to other algae
biogas substrates, such as Chlorella vulgaris. Nonetheless,
increasing salinity in the bioreactor does not significantly
affect biogas production up to 2% w/w NaCl.
Compliance with ethical standards
Conflict of interest The authors declare no conflict of interest.
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Fig. 5 Volatile solids and total solids during continuous fermentation
Table 6 Digestate composition after continuous fermentation
Compound Unit Value
Pb mg kg−1 TS 15
Cd mg kg−1 TS < 0.25
As mg kg−1 TS < 3.7
Cr mg kg−1 TS 66
Cu mg kg−1 TS 530
Ni mg kg−1 TS 34
Zn mg kg−1 TS 530
Se mg kg−1 TS 1.4
Fe mg kg−1 TS 5700
Co mg kg−1 TS 3.5
B mg kg−1 TS 41
Mo mg kg−1 TS 2.5
Hg mg kg−1 TS < 0.04
N tot g kg−1 FM 5.7
P g kg−1 FM 1.4
P2O5 g kg−1 FM 3.2
K g kg−1 FM 2.9
K2O g kg−1 FM 3.5
Mg g kg−1 FM 0.4
MgO g kg−1 FM 0.7
Ca g kg−1 FM 1.0
Na g kg−1 FM 8.2
S g kg−1 FM 0.5
NH4–N g kg−1 FM 4.2
CaO g kg−1 FM 1.4
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Ergebnisse
44
4. Zusammenfassung, Diskussion und Ausblick
4.1. Zusammenfassung der Ergebnisse
In der vorliegenden These wurde das Biogaspotential der Mikroalge Chlorella vulgaris [110]
und Scenedesmus obliquus [111] im Rahmen von vergleichenden Satzprozessen - und semi-
kontinuierlichen Versuchen experimentell untersucht.
Im Rahmen des Satzprozess-Versuches mit unlimitiert kultivierter, proteinreicher Chlorella
vulgaris Biomasse wurde nach 28 Tagen ein Gasertrag von 537,9 lN/kg oTS und 443,6 lN/kg
oTS für getrocknete respektive frische Biomasse mit Methankonzentrationen von 60,0 % (v/v)
und 61,1 % (v/v) erreicht. Eine durchschnittliche Maissilage erzielt 650 lN/kg oTS Methan bei
durchschnittlich 52,0 % (v/v) [1]. Umgerechnet auf Normliter Methan erzielte Chlorella vulgaris
mit 322,7 lN Methan (getrocknet) bzw. 271 lN (frisch) beachtliche Methanausbeuten im
Vergleich zu Mais (338 lN).
Bei der Vergärung der unlimitierten Chlorella vulgaris Biomasse im kontinuierlichen
Durchflussfermenter konnten bis zur maximal getesteten Raumbelastung in Höhe von 3,0 kg
oTS/m3*d keine Probleme oder Störungen festgestellt werden. Die Alge wies einen relativ
hohen Gasertrag (507 lN/kg oTS bei einer Raumbelastung von 1 kg oTS/m3 *d) auf und eine
schnelle Gasproduktion. Der spezifische Gasertrag der Alge sank jedoch mit zunehmender
Raumbelastung, ein Hinweis darauf, dass das Substrat nicht mehr so gut vergoren werden
konnte. Es zeigten sich auch zunehmend Schwankungen in der täglichen Gasproduktion. Die
Gesamt- und organische Trockensubstanz des Fermenters stiegen ebenfalls im Laufe des
Versuchs an, was ein weiteres Indiz dafür ist, dass die zugeführte organische Substanz nicht
komplett abgebaut werden konnte. Bei noch weiter steigender Raumbelastung stellte der H2S-
Gehalt ein Problem dar. Hier müsste durch Maßnahmen wie z.B. einer biologischen
Entschwefelung oder der Zugabe von Eisenmitteln der H2S-Gehalt reduziert werden.
Schwankungen in der Gasproduktion ergaben sich zudem mit jedem Wechsel der
Algencharge.
Ferner wurde in einem Satzprozess der Gas- und Methanertrag ölextrahierter Algenreste der
halophilen Alge Scenedesmus obliquus ermittelt. Um den Einfluss der vorherigen
Ölgewinnung und den Effekt des Salzes auf die Gärbiologie zu evaluieren, wurde die Alge in
unterschiedlich starker Salzlösung fermentiert. Bis zu einem Salzgehalt von 5 % (w NaCl/v) in
der Algensuspension konnte kein Effekt auf den Gasertrag, mit 335,5 lN /kg oTS, festgestellt
werden. Erst ab einem Salzgehalt von 10 % (w NaCl/v) der Algensuspension kam es zu einer
Reduktion des Gasertrages mit 315 lN /kg oTS. Bei einem eingestellten Salzgehalt von 3 % (w
NaCl/v) auf den Gesamtansatz stoppte die Gasproduktion fast vollständig (30,7 lN /kg oTS).
Der Methangehalt sank mit steigendem Salzgehalt von 61,5 % auf 59,4 % (v/v) bei 10 % (w
Ergebnisse & Diskussion
45
NaCl/v) Salzgehalt. Im Ansatz mit 3 % (w NaCl/v) Salz bezogen auf den Gesamtansatz lag
der Methangehalt nur noch bei 21,6 % (v/v).
In der kontinuierlichen Durchflussfermentation der entölten Scenedesmus obliquus
Restbiomasse zeigte der Salzgehalt der zugegebenen Algensuspension einen geringen Effekt
auf die Gasproduktion im Fermenter. Ab 10 % (w NaCl/v) Salzgehalt ging der Gasertrag bei
gleichbleibender Raumbelastung zurück. Der Methangehalt blieb hingegen unbeeinflusst von
der Salzkonzentration. Die Leitfähigkeit des Fermenterinhaltes stieg kontinuierlich während
des Versuches an, was auf eine Salz-Aufkonzentrierung hindeutete. Eine Erhöhung der
Raumbelastung führte zwar zu einer etwas erhöhten Gasproduktion, bezogen auf die
eingewogene Algensuspension war der spezifische Gasertrag jedoch geringer.
4.2. Diskussion
Die in den durchgeführten Untersuchungen jeweils erreichten Biogas- und Methanerträge mit
Chlorella vulgaris Ganzzell- und Scenedesmus obliquus Restbiomasse sind für die
Biogaserzeugung sehr vielversprechend. Erfreulich ist die unproblematische Vergärung,
selbst in der Monofermentation. Für den in Fig. 1 integrierten AFK Prozessfluss bedeutet dies,
dass die Algenbiomassekonversion zu Methan generell ein sinnvoller und synergistischer
Eduktauslass für eine energie- und masseneffiziente Biokerosinproduktion ist. Die hier
erhobenen Daten zeigten auch, dass die ölextrahierte Scenedesmus obliquus Restbiomasse
bessere Biogaserträge und einen stabileren Biogas-Prozessverlauf ermöglichte als die
Chlorella vulgaris Ganzzellbiomasse. Interessanterweise konnte auch gezeigt werden, dass
der Biogasertrag mit entölter Scenedesmus obliquus Restbiomasse höher war als mit
Maissilage als Referenz-Biogassubstrat. Im Gegensatz zum Mais als konventionelles
lignozellulosehaltiges Substrat ist davon auszugehen, dass die Abwesenheit von Lignin und
die Anwesenheit von amorph, polymer vorliegenden Zellwandzuckern in der
Algenrestbiomasse eine effizientere Vergärung hin zur Biogasproduktion erlaubt hat. Diese
hier erstmals beschriebene Datenlage gilt es in zukünftigen Projekten mit anderen
Algenstämmen und mit einer in diesen Versuchen begleitenden, detaillierten Biomasseanalytik
zu verifizieren [112].
Mit den hier beschriebenen Daten zur effizienten Algenrestbiomasse-Konversion in Biogas ist
das AFK Projektziel, Algenrestbiomasse als massen-, energetisch-, ökonomisch und
ökologisch effizientes Biogassubstrat zu etablieren, erreicht worden. Die Nutzung der
Algenrestbiomasse nach der Wertstoffextraktion bietet somit erstmals eine werthaltige
energetische oder stoffliche Nutzung von Algenbiomasse in einem geschlossenen
Stoffkreislauf. Da sich der relativ hohe Proteingehalt der Chlorella vulgaris Ganzzellbiomasse
als problematisch in der Biogasprozessführung gezeigt hat, ist eine kultivierungsbedingte
Diskussion
46
Reduktion des Proteingehaltes sinnvoll. Eine Reduktion im Gesamtproteingehalt verbunden
mit einer parallelen Erhöhung des polymeren Zuckeranteils in der Algenzellwand kann durch
eine gezielte Stickstofflimitierung am Ende der exponentiellen Wachstumsphase ohne
Verluste in der Biomasseausbeute erreicht werden [13]. Unter diesen
Kultivierungsbedingungen lagern die meisten Chlorella-Stämme Stärke als Speicherstoff ein,
während Stämme der Gattung Scenedesmus vorwiegend intrazellulär Triglycerid basierte Öle
als hochenergetische Speicherstoffe ausbilden [113, 114]. Die Ölbildungs-Kapazität von
Scenedesmus obliquus wurde im hier diskutierten AFK Projekt zur thermokatalytischen
Darstellung von Biokerosin genutzt. Die notwendigen Reduktionsäquivalente und zusätzlichen
Kohlenstoffträger für diesen chemischen Prozess lieferte das aus der Restbiomasse
gewonnene Biogas. So konnte erstmals ein geschlossener Stoffkreislauf zur Herstellung von
algenbasiertem Kerosin etabliert werden. Dieser abfallfreie Prozessweg hin zum Biokerosin ist
damit im Einklang mit den Prinzipien einer zirkulären Bioökonomie [115]. Es ist hier jedoch
auch festzuhalten, dass nach Kultivierung unter Stickstofflimitierung sowohl die stärkehaltige
Chlorella vulgaris bzw. lipidhaltige Scenedesmus obliquus Biomasse in einer
Biogasfermentation sehr gute Gaserträge erreichen würden. Damit wären beide
proteinreduzierten Algen-Ganzzellbiomassen für eine ganzheitliche Vergärung als Substrate
in einem nachhaltigen Biogasprozess der nächsten Generation geeignet [116]. Unter
Nachhaltigkeitsaspekten müsste die Algenbiomasse jedoch unter Nutzung von Abfallströmen
wie kommunalen Abwässern oder Gülle produziert werden.
Es wurde bereits in mehreren Studien [70, 117, 118] belegt, dass die Algenkultivierung so
einen signifikanten Beitrag zur Ökobilanz der Abwasseraufarbeitung erzielen kann. Diese
Vorgehensweise würde einen Beitrag zur biogenen Wasseraufbereitung und Rezyklisierung
leisten, besonders wenn das geklärte Abwasser wieder in die Algenkultivierung eingebracht
würde. Die im AFK Projekt etablierten Verfahren müssen in weiterführenden Schritten hin zu
einem kommerziellen Prozess weiter skaliert und validiert werden. In diesem Kontext wird die
Algenrestbiomasse im Praxiseinsatz sicherlich nicht in einer reinen Monofermentation zum
Einsatz kommen, sondern als Kosubstrat eingesetzt werden. Der Vergleich der Umsetzung
von Chlorella vulgaris und extrahierter Scenedesmus obliquus Algen-Restbiomasse weist
daraufhin, dass insbesondere der Lipidanteil in hohem Maße den Gesamtmethanertrag
steigert. Eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung der Fermentation von öl-extrahierter Algen-
Restbiomasse muss daher im Gesamtzusammenhang eines Bioraffinerie-Konzeptes
betrachtet werden [41]. Es kann angenommen werden, dass der signifikant reduzierte
Methananteil für eine wirtschaftliche Verwertung dieses Materials in Biogasanlagen hinderlich
sein könnte. Zusätzlich könnte der Einsatz durch den hohen in der Restbiomasse
verbleibenden Proteingehalt und damit einhergehend der hohen Produktion von
Schwefelwasserstoff im Biogas problematisch sein. Hier muss unbedingtes Augenmerk auf
Diskussion & Ausblick
47
die Prozessführung mit der Regulation der Fermentertemperatur gelegt werden. Offenbar kann
es sogar sinnvoll sein, Fermentationshilfsstoffe wie z.B. Eisenhydroxyd einzusetzen, um die
H2S-Werte im produzierten Biogas zu regulieren. Die in dieser These vorgestellten Daten
zeigen, dass die Limitationen der Fermentation durch hohe Salzfrachten im Praxismaßstab im
Rahmen einer Kofermentation wohl eher nicht erreicht werden. Ein Einsatz des
Algenreststoffes in Biogasanlagen kann sogar zu gewissen überkompensatorischen
Mehrerträgen in der Gaserzeugung führen, da nach den vorliegenden Analysen wertvolle
Spurenelemente mit eingetragen werden, die sonst oftmals bei einseitiger Fütterungsstrategie
mit Monosubstraten durch externe Zugabe kompensiert werden müssen. Wenn für die
Verarbeitung relevante Mengen an Algenrestbiomasse zur Verfügung stehen, helfen die
Ergebnisse aus den durchgeführten Untersuchungen im Labormaßstab bei der Rations- und
Verarbeitungsplanung an bestehenden Anlagen, um stabile Vergärungsprozesse zu
realisieren. Weiterhin geben die Ergebnisse Aufschluss über potentielle Umbauten an
bestehenden Anlagen, um in vorgeschalteten Hydrolysen durch geänderte Prozessführung
das entstehende niedrigkalorische Hydrolysegas in den Fermenter zu leiten und somit eine
Effizienzsteigerung des Gesamtprozesses zu realisieren. Eine Umsetzung hängt dabei
entscheidend von der Kosten - Nutzen - Analyse ab.
4.3. Ausblick
Im Rahmen dieser Arbeit wurde auch ein vielversprechender Satzprozess mit der
ölextrahierten Biomasse der halophilen Mikroalge Nannochloropsis salina durchgeführt. Der
Methangehalt lag bei der Vergärung lediglich ca. 10 % unter dem von Scenedesmus obliquus.
Aufgrund der mangelnden Zeit im AFK-Forschungsprojekt konnte leider kein kontinuierlicher
Versuch analog Chlorella vulgaris und Scenedesmus obliquus durchgeführt werden, daher
existiert hierzu auch keine Veröffentlichung. Allerdings wäre mit einem derartigen Versuch eine
Evaluierung der Gasausbeuten im Vergleich zu den anderen Mikroalgen sehr interessant,
insbesondere hinsichtlich der Parameter wie steigende Salzkonzentration und erhöhte H2S-
und NH3-Konzentrationen im Gas.
In der Forschung ist der Einsatz von Algenrestmasse als Biogassubstrat noch relativ
unerforscht. Auf den vorliegenden Resultaten aufbauend, könnte man folgende Ansätze
nachverfolgen und vertiefen:
Als ein Forschungsvorhaben könnte aufgrund der vorliegenden Untersuchungen eine
wirtschaftliche Betrachtung und Optimierung der Einzelprozesse durchführt werden. Soll z.B.
die entstehende Algenrestbiomasse energetisch verwendet werden, kann es unter Umständen
sinnvoller sein, nicht die Ölextraktion aus den Algen zu maximieren. Die dadurch reduzierten
Ausblick
48
Kosten könnten somit zu höheren Erlösen bei der energetischen Verwertung von Biogas aus
der Algenrestbiomasse führen.
Darüber hinaus wäre es für weitere Forschungsprojekte sinnvoll zu erfahren, bis zu welchem
prozentualen Volumenanteil Algenrestmasse in Kofermentation mit Energiepflanzen vergoren
werden kann, um Anbauflächen für nachwachsenden Rohstoffe wie z.B. Mais zu minimieren.
Im Allgemeinen müsste hierzu die Produktion und Verarbeitung der Algenrestmasse vor allem
im großtechnischen Maßstab, aber auch hinsichtlich der Energie- und Kostenbilanz erforscht
werden.
Eine Herausforderung bei der Kofermentation mit Landpflanzen wird hierzu vor dem
Hintergrund der aktuellen Diskussion der Düngeverordnung [119] das Gärrest-Management
sein, da ja auch zusätzlicher Stickstoff im Rahmen des Gärrestes auf die Böden ausgebracht
werden wird. Hier wird zu betrachten sein, dass zum einen der Gärrest mit Stickstoff
angereichert, also veredelt wird, zum anderen aber einer Überdüngung mit einer
Nitratbelastung im Grundwasser entgegengewirkt werden muss.
Ein weiterer Aspekt hierzu sollte der Transport der Substrate sein, da typischerweise die
Landpflanzen und Algenrestbiomasse geographisch zum Teil sehr weit auseinanderliegen und
die Kosten für einen Transport ökonomisch und auch ökologisch zu hinterfragen sind [120].
Mit Sicherheit ist es sinnvoller, die Biogasanlagen dort zu errichten, wo die Algenrestmasse
anfällt und dann anstelle von Landpflanzen eher Bioabfälle aus der Region beizumengen. Hier
stellt sich dann aber gerade die Frage nach dem Verbleib der mit Stickstoff hoch
angereicherten Gärreste. Hierzu müsste ein Stickstoff-Nährstoffkreislauf aufgezeigt werden,
da die Böden mit den ansonsten im geschlossenen Stickstoff-Zyklus geernteten Landpflanzen
durch die mit zusätzlichen stickstoffhaltigen ausgebrachten Gärresten überdüngt werden
würden.
Interessant wäre auch eine Betrachtung der CO2-Verwertung, welches bei der Vergärung und
anschließender Verstromung der Algenbiomasse entsteht. Gelingt es hier, das CO2 in die
Aufzucht der Algen einzubringen und somit eine Rückintegration in der Stoffstrom-Bilanzierung
zu erreichen, so wäre ein geschlossener Stoffkreislauf erreicht, der zusätzlich zu einer
Kostenreduktion in der Algenkultivierung und einer Verbesserung der Lebenszyklus-
Betrachtung führen würde [121].
Vor dem Hintergrund der aktuellen CO2-Diskussion im Rahmen des Klimawandels zum einen
und auch der „Teller/Tank-Diskussion“ und „Übermaisung der Landschaft“ durch
Biogasanlagen als regenerative Energie zum anderen hat sich das AFK Forschungsprojekt
gut in den Zeitgeist eingefunden. Der Einsatz von Reststoffen aus Algen anstelle von
Energiepflanzen führt zu einem geringeren Rohstoff- und Landverbrauch und vermeidet bzw.
Ausblick
49
bindet sogar CO2. Zudem hat die Gewinnung von Energie aus Reststoffen auch im Bereich
der Biogas- und Kraftstoffproduktion in der Bevölkerung eine höhere Akzeptanz als die
Energiegewinnung aus Anbaumasse.
Eine weitere Aufgabe wäre die Einführung der hier aufgezeigten ganzheitlichen
Algenbiomasseverwertung in voll integrierten Bioraffineriekonzepten der nächsten Generation.
Aus den hier vorgestellten Daten für Chlorella vulgaris könnte so ein Beispielszenario für eine
produktdiversifizierte Chlorella vulgaris Bioraffinerie entstehen. Da sich Chlorella vulgaris
durch sehr gute Wachstumsraten, Prozessstabilität und etablierte kommerzielle
Produktionssysteme auszeichnet, ist dies eine sehr naheliegende Betrachtung. Ein Beispiel
wäre hier Chlorella vulgaris unter Stickstofflimitierung zu kultivieren und so eine intrazelluläre
Stärkeakkumulation zu forcieren [122, 123]. Hier wäre die Nutzung des schnellwachsenden,
hochgradig Stärke produzierenden Stammes Chlorella sorokiniana anstatt des
Modellstammes Chorella vulgaris zielführend [124, 125]. Die in der Algenzelle gespeicherte
Stärke könnte in nachfolgenden Prozessschritten durch mechanische und chemische
Verfahren von der Restbiomasse getrennt werden [126]. Die Algenrestbiomasse könnte dann
problemlos in einem Biogasprozess vergoren und in Biogas umgewandelt werden. Die
nachgeschaltete Biogasverwertung im BHKW wird dann zur Gewinnung von Prozessenergie
und Wärme genutzt. Während die Abwärme, ein geringer Anteil der Prozessenergie und das
entstehende CO2 für weitere Algenkultivierungsprozesse genutzt werden können, wird der
überwiegende Anteil der aus Biogas gewonnen Energie für weitere Stärke-
Veredelungsschritte genutzt.
Ein Basisszenario wäre die fermentative Konversion der Stärke in Bioethanol, der entweder
als Biokraftstoff oder Plattformchemikalie genutzt werden kann [127–129]. Hier ist
anzumerken, dass Abwärme und Energie aus der Biogasverstromung besonders für die
energieintensive finale Bioethanol-Aufkonzentration mittels gekoppelter Destillation und
Rektifikation verwendet werden muss. Die Nutzung von CO2 neutraler, biogasbasierter
erneuerbarer Energie und Abwärme ist hier aus ökonomischen und ökologischen Gründen
sehr sinnvoll. Erste Kommerzialisierungsversuche zur algenbasierten Bioethanolerzeugung in
einer integrierten Bio-Raffinerie der Süd-Zucker Crop Energies AG in Zeitz sind jedoch
gescheitert [130] (siehe Abbildung 3).
Ausblick
50
Das von Süd-Zucker forcierte Kommerzialisierungskonzept (Abb. 3) war wahrscheinlich nicht
zielführend, da Bioethanol als großvolumiges, niederpreisiges Chemieprodukt nicht die
benötigte Wertschöpfung im Gesamtprozess erbrachte. Eine wertsteigernde, direkte Nutzung
der Algen basierte Stärke als hochpreisige Spezialchemikalie oder Additiv wäre hier
zielführender, um eine erfolgreiche Kommerzialisierung dieser vielversprechenden
Algentechnologie zu erreichen. Mögliche direkte Anwendungen von Algenstärke wäre die
Nutzung als funktionale Füllmaterialien in Polypropylene und Polystyrol basierten
Polymeranwendungen [131]. Weiterhin könnte Stärke als chiraler Ausgangsstoff für die
chemische Synthese von Pharmazeutika und Agrochemikalien genutzt werden. Darüber
hinaus gewinnt Stärke als erneuerbarer Rohstoff zur chemischen Darstellung von
bioabbaubaren Polymeren wie thermoplastischer Stärke und Caprolactam basierten
Polymeren an Bedeutung [132, 133]. Im Hinblick auf das globale Entsorgungsproblem von
nicht biologisch abbaubarem Plastikmüll und den daraus resultierenden ökologischen Folgen,
ist diese Entwicklung im Sinne der Etablierung einer zirkularen Bioökonomie zielführend [134].
In dem Kontext könnten bioabbaubare Polymere am Ende ihres Lebenszyklus eingesammelt
und entweder wiederverwendet oder energetisch in einer Biogasanlage verwertet werden,
ohne die Umwelt zu belasten [135]. Somit wäre eine wertschöpfende Nutzung der Algenstärke
in einem geschlossenen Stoffkreislauf möglich. Die Anwendung dieser geschlossenen,
wertschöpfenden biobasierten Stoffkreisläufe durch Synergien von biotechnologischen und
chemischen Konversionsstrategien ermöglicht eine ressourcenschonende Weiterentwicklung
unserer Industriegesellschaft. Nur eine strikte flächendeckende, industrielle Implementierung
Abbildung 3: Gekoppelte Algen Stärke und Bioethanol Produktion in einer voll integrierten Bio-Raffinerie der Firma Süd-Zucker Crop Energies.
Ausblick
51
dieser geschlossenen Technologieplattformen wird unsere Erde in ihrer aktuellen Vielfalt an
Leben auch für zukünftige Generationen bewahren. Die in dieser These präsentierten Daten
sollen damit einen ersten Schritt und eine Motivation für weitere Forschungsprojekte auf dem
Weg in eine nachhaltige Zukunft initiieren.
Abdruckgenehmigung
52
5. Abdruckgenehmigung
Der Artikel “Batch and Continuous Biogas Fermentation of the Fresh Water Algae Chlorella
vulgaris - Detailed Process Analysis” wurde 2018 im “Journal of Bioprocessing &
Biotechniques” (DOI: 10.4172/2155-9821.1000338) veröffentlicht.
Dieser Artikel ist “open access”, daher ist keine Abdruckgenehmigung erforderlich.
Der Artikel “Biogas yields and composition from oil‑extracted halophilic algae residues in
conventional biogas plants operated at high salinities” wurde 2019 in “Bioprocess and
Biosystems Engineering” (https://doi.org/10.1007/s00449-019-02185-8) veröffentlicht.
Dieser Artikel ist “open access”, daher ist keine Abdruckgenehmigung erforderlich.
Liste der Abbildungen und Tabellen
53
6. Abbildungs- und Tabellenverzeichnis
Abbildung 1: Algenproduktion für die Biokerosinherstellung im AFK Projekt. ....................... 5
Abbildung 2: Satzprozess (links), semi-kontinuierlicher Versuch (rechts) (Foto vom Autor).
.............................................................................................................................................19
Abbildung 3: Gekoppelte Algen Stärke und Bioethanol Produktion in einer voll integrierten
Bio-Raffinerie der Firma Süd-Zucker Crop Energies. ............................................................50
Tabelle 1: Methanogene Bakterien und die von ihnen genutzten Substrate [104]. ...............15
Tabelle 2: Methanogene Substrate und ihre Umsetzung [104]. ............................................15
Tabelle 3: Physikalische Eigenschaften von Biogas und seinen Bestandteilen [104]. ..........16
Tabelle 4: Kenndaten Versuchsansatz [110]. .......................................................................20
Tabelle 5: Zusammensetzung für Satzprozess-Fermentationsversuche [111]. ....................21
Tabelle 6:Kenndaten der verwendeten Substrate [110]. ......................................................22
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